KR20080114495A

KR20080114495A - 충전 시스템, 전자 기기 및 충전 방법

Info

Publication number: KR20080114495A
Application number: KR1020080036137A
Authority: KR
Inventors: 시게후미 오다오하라
Original assignee: 레노보 (싱가포르) 피티이. 엘티디.
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2008-12-31
Also published as: CN101335461A; CN101335461B; US8125190B2; US20090001935A1; JP4542570B2; JP2009011055A; KR101441134B1

Abstract

본 발명은 과전압 보호 회로의 동작 보증값을 낮게 해도, 충전기의 설정 전압을 높게 할 수 있는 충전 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.

전지팩은 전지셀(11)과, 전지셀의 셀 전압(Vc)을 측정하는 전압 측정 회로(51)와, 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압(Vb)이 과전압 설정값(Vop)에 도달했을 때에 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호 회로(OVP)(53)를 구비한다. 충전기(103)는 피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력(FB-V)과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력(Vset)을 구비한다. 제어부(51)는 판독 전압과 설정 전압에 기초해서 생성한 제어 전압(Vfb)을 충전기에 공급하여 충전기의 출력 전압을 피드백 제어한다. 그 결과, 전압 측정 회로에 판독 오차가 있고, 충전기에 출력 오차가 있어도, 과전압 설정값을 낮게 하고, 또한, 설정 전압을 높게 할 수 있다.

Description

충전 시스템, 전자 기기 및 충전 방법{CHARGING SYSTEM, ELECTRONIC APPARATUS AND CHARGING METHOD}

본 발명은 전지셀에 대한 과전압 보호 회로의 설정값을 낮게 하면서 충전기의 설정 전압을 높은 값으로 유지하는 충전 시스템에 관한 것이다.

휴대형 전자 기기의 일례인 노트형 퍼스널·컴퓨터(이후 노트 PC라고 한다)에서는, CPU의 동작 주파수의 고속화 등에 따르는 소비 전력이 증가해 가는 한편으로, 모바일 환경에서의 장시간 동작이나 소형 경량화 등이 요구되고 있다. 따라서 노트 PC에 탑재되는 축전지는, 에너지 밀도가 높은 리튬·이온 축전지로 이루어지는 전지셀을 복수 준비하고, 이들을 직렬 접속 및 병렬 접속으로 조합하여 하우징에 수납한 전지팩의 형태를 취하고 있는 경우가 많다.

리튬·이온 축전지를 충방전할 때에는, 충방전 전류 및 충방전 전압을 정밀하게 제어할 필요가 있으며, 특히 정전압 제어기간의 충전 전압의 제어는 엄밀히 행할 필요가 있다. 이 때문에, 리튬·이온 축전지를 사용하는 전지팩에서는, 전지팩의 내부에 MPU(마이크로·프로세서)를 설치해서, MPU가 충전 및 방전 중에 전지팩 내부의 상태를 감시하여 노트 PC 본체에 정보를 보내거나, 보호 회로를 동작시 키는 스마트·배터리라 불리는 구조가 일반적으로 채택되고 있다. 스마트·배터리는 미국 인텔사 및 미국 듀라셀사에 의해 제창된 스마트·배터리·시스템(Smart Battery System, SBS)이라 불리는 규격에 준거한 배터리 장치이다. 동 규격에 준거한 전지팩은 인텔리전트 전지라고도 불린다.

인텔리전트 전지는 MPU, 전류 측정 회로, 전압 측정 회로 및 온도 센서 등을 기판에 장착한 전기 회로부와 복수의 전지셀이 하나의 하우징에 수납되어 있으며, MPU는 데이터 회선을 통하여 노트 PC 본체의 임베디드·컨트롤러와 통신을 행할 수 있다. 인텔리전트 전지에는 보호 회로도 설치되어 있으며, 사용중에 전지셀에 어떠한 이상이 발생한 경우에는, 보호 회로를 동작시켜서 충방전을 정지하는 것이 가능하다. 이상의 항목으로서는, 충방전중의 전류, 전압, 온도, 및 전지셀 사이의 전압 밸런스에 관한 사항이 포함된다.

현재 인텔리전트 전지의 충전 시스템에서는, 전지팩과, 노트 PC가 각각 전압 측정 회로를 보유한다. 전지팩에 내장된 전압 측정 회로의 측정값은 충전중에 전지셀의 전압이 소정의 값을 넘은 경우에 충전을 정지시키기 위해서도 사용된다. 이에 비하여 노트 PC에 장착된 전압 측정 회로는 충전기의 출력 전압을 측정하고, 그 측정값은 충전기의 피드백 제어에 사용된다.

인텔리전트 전지에 대하여 정확한 충전 전압을 출력하는 기술에 대해서는, 이하의 문헌이 있다. 특허 문헌 1에는, 충전 개시 전에 인텔리전트 전지로부터 전압 정보를 취득하고, 그것을 충전기측에서 취득한 전압 정보와 비교함으로써, 충전기측의 전압 정보를 교정하여, 보다 정확한 충전 전압을 전지팩에 공급한다는 기술 에 대하여 기재되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제11-98714호 공보

충전기의 출력 전압에는 설정 전압에 대하여 출력 오차가 발생하고, 전지팩의 전압 측정 회로의 판독값에도 계측 오차가 발생한다. 또한, 충전기의 출력과 전지셀 사이에는 배선, 단자, 및 회로 소자에 의한 저항이 존재하기 때문에, 출력 전압과 셀 전압은 일치하지 않으며, 또한 충전 전류에 의해 그 차이가 변동한다. 또한, 충전 시스템은 주위 온도의 변화나 충전기의 드리프트에 의해 셀 전압이 돌연히 변화하는 경우가 있다. 전지셀에 대한 정상적인 충전이 행해지고 있는 경우에는, 전지팩의 과전압 보호 회로가 오동작하지 않도록 충전기의 설정 전압의 값과 과전압 보호 회로의 과전압 설정값 사이에 충분한 마진을 마련할 필요가 있다.

종래 과전압 보호 회로의 오동작을 방지하기 위하여, 충전기의 설정 전압에 대한 출력 전압의 오차(이하 출력 오차라고 한다)에 의해 변동하는 출력 전압의 상한과, 전압 측정 회로가 계측 오차로 셀 전압을 낮게 판독할 때의 하한이 오버랩되지 않도록 설정 전압의 값과 과전압 설정값 사이에 폭을 마련하고 있었다. 예컨대, 전압 측정 회로에 ±0.05V의 판독 오차가 있는 경우는, 과전압 설정값으로 동작하는 과전압 보호 회로는 실제로는 셀 전압에 대하여 동일한 오차로 동작하게 되기 때문에, 과전압 설정값을 4.35V로 설정하면 4.30V가 동작의 최저값이 되고, 4.40V가 과전압 보호의 보증값이 된다. 또한, 충전기는 예컨대 ±0.03V의 출력 오차가 있으며, 설정 전압을 4.20V로 했을 때에, 4.23V가 출력 전압의 상한값이 된다. 따라서, 과전압 보호 회로가 동작하는 최저 전압(4.30V)과, 출력 전압의 최대 전 압(4.23V) 사이에는 0.07V의 마진을 취할 수 있기 때문에, 충전중에 과전압 보호 회로가 오동작하는 일은 없었다.

최근, 리튬·이온 축전지의 사용에 대해서는 한층 더 안전성의 확보가 요구되고 있다. 그 때문에, 관련 업계, 단체 등의 사이에서, 리튬·이온 축전지의 안전 기준을 더욱 강화하는 움직임이 있다. 구체적으로는, 종래는 과전압 보호 회로의 보증값을 4.40V로 하는 것을 표준으로 해 왔으나, 이 표준을 4.25V로 개정하는 것이 검토되고 있다. 과전압 보호 회로의 보증값을 4.25V로 한 경우에도, 셀 전압이 정상적인 범위에 있는 한 과전압 보호 회로가 오동작하지 않도록 충전기를 설정할 필요가 있다.

이 경우는, 보증값을 낮춘 양(0.15V)만큼 과전압 설정값과 설정 전압의 값을 낮춤으로써 대응할 수 있다. 그러나, 충전기의 설정 전압을 낮추면 만충전 용량이 감소하거나, 만충전 용량에 도달하기까지의 시간이 길어지기 때문에 바람직하지 않다. 특허 문헌 1과 같이, 전지팩으로부터 수신한 전지셀의 전압으로 충전기의 피드백 제어에 사용하는 전압 측정 회로를 교정했다고 해도, 충전기의 출력 오차를 모두 해소할 수 없고, 또한, 충전기의 드리프트, 충전기와 전지셀 사이의 저항, 및 환경 온도의 변화 등에 기인하는 셀 전압의 변화에 대응하기 위하여, 과전압 설정값과 설정 전압 사이에는 상당한 폭을 마련할 필요가 있으며, 충전기의 설정 전압을 보증값이 4.40V인 경우와 같은 정도(4.20V)로 할 수 없다.

그래서 본 발명의 목적은 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩의 과전압 보호의 보증값을 낮추더라도 충전기의 설정 전압을 유지할 수 있는 충전 시스템을 제 공하는 것에 있다. 또한 본 발명의 목적은 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩의 과전압 보호의 보증값을 낮추더라도, 만충전 용량이 감소하지 않는 충전 시스템을 제공하는 것에 있다. 또한 본 발명의 목적은 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩의 과전압 보호의 보증값을 낮추더라도, 만충전까지의 시간이 길어지지 않는 충전 시스템을 제공하는 것에 있다. 또한 본 발명의 목적은 그러한 충전 시스템에 대응한 전자 기기, 및 전지팩을 제공하는 것에 있다. 또한 본 발명의 목적은 그러한 충전 시스템에 있어서의 전지셀의 충전 방법을 제공하는 것에 있다.

충전 시스템은 전지셀과, 전지셀의 셀 전압을 측정하는 전압 측정 회로와, 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 근접했을 때에 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호 회로를 구비하고 있다. 이러한 충전 시스템은 내부에 프로세서, 전압 측정 회로, 및 과전압 보호 회로를 탑재하는 스마트·배터리라 불리는 전지팩이나, 내부에 이들을 탑재하지 않는 댐·배터리라 불리는 전지팩을 포함하여 구성될 수 있다. 전압 측정 회로는 셀 전압에 대하여 측정 오차가 있기 때문에, 과전압 보호 회로가 과전압 설정값으로 동작할 때의 셀 전압은, 과전압 설정값과는 다른 값이 된다. 충전기는 피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력을 구비한다. 충전기에는 출력 오차가 있기 때문에, 설정 전압과 피드백 전압이 동일하게 되어도, 통상 출력 전압은 설정 전압과 일치하지 않는다.

제어부는 판독 전압과 설정 전압에 기초해서 생성한 제어 전압을 충전기에 공급하여 충전기의 출력 전압을 피드백 제어한다. 제어 전압과 과전압 보호 회로에 공급하는 전압은 모두 전지셀 근방에서 측정된 판독 전압으로부터 생성되기 때문에, 충전 전류와 저항으로 변동하는 출력 전압과 셀 전압의 차를, 과전압 보호 회로의 과전압 설정값과 충전기의 설정 전압 사이의 마진에 미리 계산해 넣을 필요가 없게된다. 이러한 제어 방식은, 엄밀한 전압 관리가 요구되는 정전류 정전압 제어 방식의 정전압 제어기간 중에 사용하면 효과적이다.

제어부가 정전압 제어기간에, 제어 전압의 현재 값을 판독 전압과 설정 전압으로 수정한 수정 제어 전압을 제어 전압의 새로운 현재 값으로서 충전기에 공급하도록 하면, 과전압 설정값과 설정 전압 사이의 마진을 작게 해도 충전기의 출력 오차, 환경 온도의 변화, 충전기의 드리프트, 및 출력 전압과 셀 전압과의 차이의 변동 등에 의해 판독 전압이 과전압 설정값에 도달하지 않도록 충전기를 제어할 수 있다. 제어부가, 판독 전압이 과전압 설정값에 근접했을 때에, 근접하고 있지 않을 때에 비하여 출력 전압을 한층 더 강하시키는 수정 제어 전압을 생성하면, 과전압 보호 회로의 오동작을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

설정 전압을, 전지팩 내의 온도에 따라서 변경함으로써, 충전의 안전성을 향상시킬 수 있다. 이 충전 시스템에서는, 제어 전압을 충전기의 피드백 입력에 공급하고 기준 전압원을 설정값 입력에 접속할 수 있다. 또는, 제어 전압을 충전기의 설정값 입력에 공급하고 출력 전압을 피드백 입력에 공급할 수도 있다. 본 발명에 따른 충전 시스템에서는, 출력 전압의 설정 전압에 대한 출력 오차의 범위와 판독 전압의 셀 전압에 대한 과전압 설정값에 대응하는 오차의 범위가 오버랩되는 부분 을 포함하도록 설정 전압과 과전압 설정값을 설정할 수 있다. 이와 같이 설정함으로써, 과전압 보호 회로의 동작 보증의 상한값이 낮아졌다고 해도, 설정 전압을 낮게 하지 않고 충전할 수 있으며, 만충전 용량의 확보와 충전 시간의 단축을 도모할 수 있다.

본 발명에 의해, 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩의 과전압 보호의 보증값을 낮추더라도 충전기의 설정 전압을 유지할 수 있는 충전 시스템을 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 의해, 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩의 과전압 보호의 보증값을 낮추더라도, 만충전 용량이 감소하지 않는 충전 시스템을 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 의해, 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩의 과전압 보호의 보증값을 낮추더라도, 만충전까지의 시간이 길어지지 않는 충전 시스템을 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 의해, 그러한 충전 시스템에 대응한 전자 기기, 및 전지팩을 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 의해 그러한 충전 시스템에 있어서의 전지셀의 충전 방법을 제공할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 SBS 규격에 준거한 전지팩(10) 및 노트 PC(100)로 이루어지는 충전 시스템을 도시하는 블록도이다. 단, 본 발명은 댐·배터리에 적용할 수도 있다. 전지팩(10)에는, 리튬·이온 축전지로 구성된 3개의 전지셀(11∼13)이 직렬로 접속되어 있는 것 외에, 감지 저항(15), 방전 FET(17), 충전 FET(19), AFE(아날로그·프론트·엔드)(21), MPU(마이크로·프로세싱·유닛 )(23), 전압 조정기(25), 서미스터(27) 등의 전자 부품이 설치되어 있다. 전지팩(10)과 노트 PC(100) 사이는, +단자(31), C단자(33), D단자(35), T단자(37), 및 -단자(39)의 5개의 단자로 접속되어 있다. 전지셀(11∼13)로부터의 방전 전류 및 전지셀(11∼13)에 대한 충전 전류는, +단자(31) 및 -단자(39)를 통하여 노트 PC(100)와의 사이를 흐른다. C단자(33)와 D단자(35)는 각각 MPU(23)의 클록 단자 및 데이터 단자에 접속되고, T단자(37)는 전지셀(11) 주변의 온도를 측정하는 서미스터(27)에 접속된다.

AFE(21) 및 MPU(23)는, 전압 조정기(25)로부터 공급되는 일정 전압에 의해 동작하는 집적 회로이다. AFE(21)와 MPU(23) 사이는 상호 데이터 교환이 행해진다. AFE(21)는 전지셀(11∼13)의 각각의 전위차를 취득하는 아날로그 입력 단자(V1, V2, V3), 및 감지 저항(15)의 양단의 전위차를 취득하는 아날로그 입력 단자(I1, I 2)를 구비한다. AFE(21)는 또한 방전 FET(17) 및 충전 FET(19)를 온·오프 제어하는 신호를 출력하는 아날로그 출력 단자(D-CTL 및 C-CTL)를 구비한다. AFE(21)는 전압 측정 회로, 전류 측정 회로를 구비하고 있다. 전압 측정 회로는 전지셀(11∼13)의 각각의 전압을 측정해서 디지털 값으로 변환하여 MPU(23)에 보낸다. MPU(23)는 전지셀(11∼13)의 각 전압을 합하여 판독 전압을 계산한다. 전압 측정 회로에는 오차가 있기 때문에, 판독 전압은 실제의 전지셀 전체의 셀 전압(Vc)과는 다른 값이 되는데 이것에 관한 상세한 것은 후술한다.

전류 측정 회로는 감지 저항(15)이 검출한 전압으로부터 전지셀(11∼13)에 흐르는 충전 전류 및 방전 전류를 측정해서 디지털 값으로 변환하여 MPU(23)에 보 낸다. MPU(23)는 8∼16비트 정도의 CPU 외에, RAM, ROM, 플래시·메모리, 타이머 등을 1개의 패키지 내에 구비한 집적 회로이다. MPU(23)는 전압 보호부 및 전류 보호부를 구비하며, AFE(21)로부터 보내진 전압값 및 전류값에 기초하여, 충방전중의 전지팩의 상태를 감시하고, 이상을 검출했을 때에는 AFE를 경유하여 방전 FET(17)및 충전 FET(19)를 오프로 해서 충방전을 정지한다. 전압 보호부 및 전류 보호부는 MPU(23)에서 실행되는 프로그램으로 구성된다. 또, AFE(21)와 MPU(23)를 합쳐서 1개의 집적 회로로 구성할 수 있다.

MPU(23)로부터는 클록·라인과 데이터·라인이, 각각 C단자(33)와 D단자(35)를 통해서 노트 PC(100)측의 임베디드·컨트롤러(EC)(101)에 접속되어, MPU(23)와 EC(101) 사이에서의 통신이 가능하게 되어 있다. MPU(23)는 EC(101)에 대하여 데이터·라인을 통해서 충전 개시 및 충전 정지의 제어 커맨드를 보내고, EC(101)는 이 제어 커맨드를 처리하여 전지셀(11∼13)의 충전을 개시하거나 정지한다. 그리고, MPU(23)는 전지셀(11∼13)의 판독 전압 및 전지셀(11∼13)에 흐르는 충전 전류(Iot)의 값을 클록·라인 및 데이터·라인을 통해서, 약 1∼2초 정도의 주기로 정기적으로 EC(101)에 송신한다. 또한 EC(101)는 전지셀(11∼13) 근방의 온도에 따라서 변화하는 서미스터(27)의 저항값을 검출하여 MPU(23)에 통지하고, 그 온도에 이상이 있었을 때에 MPU(23)는 방전 FET(17) 및 충전 FET(19)를 오프로 하여 충방전을 정지한다.

노트 PC(100)의 전원 관리 기능은, EC(101)를 중심으로 하여 충전기(103) 및 DC-DC 컨버터(121) 등으로 구성된다. EC(101)는 전원 이외에도 노트 PC(100)를 구 성하는 많은 하드웨어 요소를 제어하는 집적 회로이다. EC(101)는 전지셀(11∼13)의 현재의 전류값 및 전압값에 대한 정보를 MPU(23)와의 통신에 의해 취득할 수 있다. EC(101)는 MPU(23)로부터의 충전 개시 및 충전 정지의 제어 커맨드에 기초해서, 충전기(103)를 제어하여 전지셀(11∼13)의 충전을 행한다.

충전기(103)는 FET(105) 및 FET(107)에 의한 스위칭 회로와, 인덕터(109) 및 커패시터(111)에 의한 평활(平滑) 회로를 구비한다. 충전기(103)는 스위칭 회로를 구동하여 출력된 전류는 평활 회로에 의한 진동을 저감하고, AC 어댑터(151)로부터 입력된 직류 전압을 전지셀(11∼13)의 충전에 적합한 직류 전압으로 변환하여 전지팩(10)에 출력한다. 충전기(103)는 정전류 정전압 방식(CC-CV: Constant Current Constant Voltage)으로 전지셀(11∼13)을 충전한다. 충전기(103)의 전류 설정값 입력(Iset), 전압 설정값 입력(Vset)에는, 노트 PC(100)의 내부에서 생성된 일정 전압을 분압한 기준 전압원(123)으로부터의 전압이 입력된다.

AC 어댑터(151)는 1차측(次側)이 AC 코드(153)에 의해 상용 전원에 접속되고, 2차측이 DC 케이블(155)에 의해 노트 PC(100)에 접속된다. DC-DC 컨버터(121)는 AC 어댑터(151)로부터 입력된 DC 전압 또는 전지셀(11∼13)로부터 방전될 때의 DC 전압을 필요한 전압으로 변환하여 노트 PC(100) 내의 시스템 부하(도시하지 않음)에 공급한다.

노트 PC(100)의 충전기(103)는, FET(105) 및 FET(107)에 의한 스위칭 회로와, 인덕터(109) 및 커패시터(111)에 의한 평활 회로를 구비하지만, 종래와 같은 전압 피드백 입력(FB-V) 및 전류 피드백 입력(FB-I)에 대한 피드백 전압 및 피드백 전류를 생성하기 위한 분압 저항 및 감지 저항은 존재하지 않는다. 그것을 대신하여 EC(101)로부터 출력되는 아날로그 신호가, 충전기(103)의 전압 피드백 입력(FB-V) 및 전류 피드백 입력(FB-I)에 입력된다.

EC(101)는 MPU(23)로부터 취득한 피드백 전압 및 피드백 전류의 값을 아날로그 값으로 변환하여, 충전기(103)의 전압 피드백 입력(FB-V)에 피드백 전압을 보내고, 전류 피드백 입력(FB-I)에 피드백 전류를 보낸다. 이때 EC(101)는 피드백 전압을 판독 전압 및 설정 전압으로 수정하여 충전기(103)의 전압 피드백 입력(FB-V)에 보내는데 이것에 관한 상세한 것은 후술한다. 충전기(103)는 정전류 제어기간에는 FB-I에 입력된 피드백 전류로 정전류 동작을 하고, 정전압 제어기간에는 FB-V에 입력된 피드백 전압으로 정전압 동작을 한다. 이 구성에서는, 전지팩(10)의 내부에서 검출된 판독 전압 및 충전 전류(Iot)를 이용하여, 충전중에 피드백 제어를 행하게 된다.

또한, 도 1은 본 실시형태를 설명하기 위하여, 주요한 하드웨어의 구성 및 접속 관계를 간소화해서 기재한 것에 불과한 것이다. 예컨대 자기 디스크, 광학 디스크, 키보드 등, 전지팩(10) 및 노트 PC(100)를 구성하기 위해서는 많은 전기 회로 및 장치가 사용되지만, 이는 당업자가 이미 주지하고 있으므로 기재는 생략하고, 상세하게 언급하지 않는다. 도면에서 기재한 복수의 블록을 1개의 집적 회로로 하거나, 반대로 1개의 블록을 복수의 집적 회로로 분할하여 구성하는 것도, 당업자가 임의로 선택할 수 있는 범위에 있어서는 본 발명의 범위에 포함된다.

도 2는 도 1의 충전 시스템 중에서, 전압 피드백계를 상세하게 설명하기 위 한 블록도이다. 도 2에서는 설명을 간단히 하기 위하여 1전지셀당의 전압을 예로 해서 설명한다. 충전기(103)의 전압 설정값 입력(Vset)에는, 기준 전압원(123)으로부터 4.20V의 설정 전압(Vo)이 입력되어 있다. 충전기(103)의 전압 피드백 입력(FB-V)에는, EC(101)로부터 아날로그의 피드백 전압(Vfb)이 입력되어 있다. 충전기(103)는 설정 전압(Vo)과 피드백 전압(Vfb) 사이에 차가 있을 때에 그 차를 제로로 하는 출력 전압(Vot)을 생성하도록 동작한다.

구체적으로는, 충전기(103)는 피드백 전압(Vfb)이 설정 전압(Vo)보다 높은 경우는, 출력 전압(Vot)을 강하시키도록 동작하고, 피드백 전압(Vfb)이 설정 전압 (Vo)보다 낮은 경우는, 출력 전압(Vot)을 상승시키도록 동작한다. 이 예에서는, 충전기(103)는 피드백 전압(Vfb)이 설정 전압(Vo)과 동일한 경우에 출력 전압(Vot)이 설정 전압(Vo)에 대하여 최대 ±0.03V의 출력 오차(ε2)를 포함한다. 따라서 충전기(103)는 피드백 전압(Vfb)이 설정 전압(Vo)(4.20V)과 동일하게 되었을 때에 4.17V∼4.23V의 범위 중 어느 하나의 출력 전압을 생성한다.

충전기(103)와 전지셀(11) 사이에는 배선, +단자(31), -단자(35) 등에 의해 초래되는 저항(104)이 접속되어 있다고 생각할 수 있다. 따라서, 충전기(103)로부터 전지셀(11)에 흐르는 충전 전류에 따라서 출력 전압(Vot)과 셀 전압(Vc) 사이에는 전위차가 발생한다. 전압 측정 회로(51)는 셀 전압(Vc)을 측정하여 디지털 값으로 변환한 후의 판독 전압(Vb)을 MPU(23)에 보낸다. 이 예에서는, 셀 전압(Vc)과 판독 전압(Vb) 사이에는 최대로 ±0.03V의 전압 측정 회로의 판독 오차(ε1)가 있다. MPU(23)에는, 과전압 보호부(OVP)(53)가 프로그램으로 구성되어 있다. OVP(53) 에는 과전압 설정값(Vop)이 4.22V로 설정되어 있으며, 판독 전압(Vb)이 과전압 설정값(Vop)에 도달했을 때에, MPU(23)는 AFE(21)를 경유하여 방전 FET(17) 및 충전 FET(19)를 오프로 해서 충전을 정지한다. MPU(23)의 OVP(53), AFE(21), FET(17, 19) 및 AFE(21)의 관련 회로를 과전압 보호 회로라고 말한다.

판독 전압(Vb)에는, 셀 전압(Vc)에 대하여 ±0.03V의 오차가 있기 때문에, 4.22V로 설정된 OVP(53)가 동작할 때에는, 셀 전압(Vc)은 4.19V∼4.25V의 범위 중 어느 하나의 값으로 되어 있다. 판독 전압(Vb)은 MPU(23)로부터 EC(101)에 정기적으로 보내진다. EC(101)는 피드백 전압(Vfb)을 저장하는 설정부(55)를 구비한다. 설정부(55)는 구체적으로는 EC(101)의 레지스터이며, 설정부(55)에 설정된 피드백 전압(Vfb)이 아날로그 값으로 변환되어 충전기(103)의 전압 피드백 입력에 공급된다. 설정부(55)에는, 피드백 전압(Vfb)으로서 현재 충전기(103)에 공급하고 있는 현재 피드백 전압(V1)이 저장된다. EC(101)는 설정 전압(Vo) 및 정기적으로 MPU(23)로부터 보내져 오는 판독 전압(Vb)을 이용하여 현재 피드백 전압(V1)을 수정해서 수정 피드백 전압값(V2)을 생성한다.

수정 피드백 전압(V2)은 설정부(55)에 저장된 현재 피드백 전압(V1)을 치환하여 피드백 전압(Vfb)으로서 충전기(103)에 공급된다. 수정 피드백 전압(V2)의 계산은 MPU(23)가 행하고, EC(101)를 경유하여 충전기(103)에 공급할 수도 있다. 수정 피드백 전압(V2)의 계산 방법 및 설정부(55)에의 피드백 전압(Vfb)의 저장에 대해서는 후술한다.

도 3은 도 2의 전압 피드백계에 있어서의 충전기의 설정 전압(Vo)과 OVP(53) 의 과전압 설정값(Vop)과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 3(a)는 과전압 보호의 보증값을 4.40V로 했을 때에, 충전기(103)측으로부터 피드백 전압(Vfb)을 수신하여 제어하는 경우를 나타내고 있다. 이 경우는, 판독 전압(Vb)의 오차가 ±5V이고, 출력 오차가 ±0.03V인 충전기를 사용했을 때에 그 설정 전압(Vo)을 4.20V로 할 수 있다. 도 3(b)는 과전압 보호의 보증값을 4.25V로 했을 때에 충전기(103)측으로부터 피드백 전압(Vfb)을 수신하여 제어하는 경우를 나타내고 있다.

판독 오차가 ±0.03V인 전압 측정 회로로부터 판독 전압(Vb)을 수신하여 동작하는 OVP(53)의 과전압 설정값(Vop)을 4.22V로 설정하고, 출력 오차가 ±0.03V인 충전기를 사용하여, 4.25V의 과전압 보호를 보증하면서 정상적인 충전중에 OVP(53)를 동작시키지 않기 위해서는, 충전기의 설정 전압(Vo)을 4.15V로 설정할 필요가 있으며, 4.40V의 과전압 보호를 보증하는 경우보다도 설정 전압(Vo)이 0.05V 낮아진다.

설정 전압(Vo)을 낮추는 것은 만충전 용량의 저하 및 충전 시간의 장기화로 이어져서 바람직하지 않다. 본 실시형태에서는, 과전압 보호의 보증값을 4.25V로 했다고 해도, 종래와 같이 충전기의 설정 전압(Vo)을 4.20V로 하면서 OVP(53)의 오동작을 방지할 수 있다. 도 3(c)는 본 실시형태에 따른 설정 전압(Vo)과 과전압 설정값(Vop)과의 관계를 도시하고 있다. 이 예에서는, 과전압 설정값(Vop)을 4.22V로 설정하고 설정 전압(Vo)을 4.20V로 설정한다. OVP(53)가 동작할 때의 셀 전압(Vc)의 범위(4.17V∼4.23V)와, 출력 전압(Vot)의 범위(4.19V∼4.25V)에는 오버랩되는 부분이 있으며, 셀 전압(Vc)과 출력 전압(Vot)은 충전 전류가 적을 때에는 근접한 값이 되지만, 본 실시형태에 따른 충전 시스템은, 이하에 설명하는 제어 방법에 의해 OVP(53)의 오동작을 방지하고 있다.

도 4는 충전 개시 후의 충전기(103)로부터 출력되는 출력 전압(Vot) 및 충전전류(Iot)의 시간적인 변화를 설명하는 도면이다. 충전기(103)는 정전류 정전압 충전 방식에 의해 전지셀(11∼13)을 충전하고 있으며, 충전 제어 전압(Vchg)은 충전기의 설정 전압(Vo)에 대응한다. 시각 0에서 충전을 개시하면, 충전기(103)는 충전전류(Iot)가 충전 제어 전류(Ichg)가 되도록 FET(105) 및 FET(107)를 동작시켜서 출력 전압(Vot)을 제어한다. 충전기(103)의 출력 전압(Vot)과 전지셀(11∼13) 사이에는 저항이 있기 때문에, 셀 전압(Vc)은 출력 전압(Vot)보다도 낮은 값이 된다.

충전 개시로부터 시각 t1까지는 정전류 제어기간이고 시각 t1로부터 시각 t2까지는 정전압 제어기간이다. 충전기(103)에 공급되는 피드백 전압(Vfb)이 설정 전압(Vo)과 동일해지면, 충전기(103)는 정전압 제어기간으로 들어가고, 피드백 전압(Vfb)이 설정 전압(Vo)과 동일해지도록 FET(105) 및 FET(107)를 동작시켜서 출력 전압(Vot)을 제어한다. 정전압 제어기간에 충전 전류(Iot)가 방전 종료 전류(Ichg1)에 도달한 시점에서 충전이 종료된다. 충전이 종료되는 시점에서는, 셀 전압(Vc)은 출력 전압(Vot)과 거의 동일해지고 있다. 시각 t0으로부터 시각 t2까지의 사이에 충전된 전기량이 전지셀(11∼13)의 만충전 용량이 된다. 따라서, 충전 제어 전압(Vchg)을 허용되는 범위에서 높게 설정하는 편이 만충전 용량은 커진다.

도 5는 도 3에 도시한 전압 피드백 제어계의 동작을 설명하는 도면이다. 전압 측정 회로(51)의 판독 오차(ε1)는 최대로 ±0.03V이고, 충전기(103)의 출력 오 차(ε2)는 최대로 ±0.03V이다. 충전 시스템의 구축에 있어서는 통상, 전압 측정 회로(51)와 충전기(103)는 임의로 조합되기 때문에, 판독 오차(ε1)와 출력 오차(ε2)도 임의로 조합된다. 따라서, 각각의 최대의 오차로 이루어지는 4개의 조합의 경우에 대하여, 도 3(c)에 도시하는 바와 같이 설정 전압(Vo)을 4.20V로 하고, 과전압 설정값(Vop)을 4.22V로 했을 때의 동작을 설명한다.

#1∼#5의 제어계는, 판독 오차(ε1)가 -0.03V인 전압 측정 회로(51)와, 출력 오차(ε2)가 +0.03V인 충전기로 구성되어 있다. 판독 전압(Vb), 수정 피드백 전압값(V2), 충전기(103)의 목표 출력 전압값(Vt), 및 충전기(103)의 실제의 출력 전압값(Vot)은 각각 이하의 식(1)∼식(5)로 계산한다. 또, 정전압 제어기간에서는 충전 전류가 작기 때문에, 계산을 간단히 하기 위하여 저항(104)에 의한 전압 강하를 무시하고 있다. 목표 출력 전압(Vt)은 충전기(103)의 출력 오차(ε2)가 없다고 한 경우에, 설정 전압(Vo)과 피드백 전압(Vfb)에 기초하여 충전기가 출력하고자 하는 전압이다. α는 OVP(53)의 오동작을 방지하도록 수정 피드백 전압(V2)을 계산하여 충전기(103)의 출력 전압을 피드백 제어하기 위한 가중 계수이다.

Vb=Vc+ε1 (1)

V2=V1+(Vb-Vo) (2)

V2=V1+(Vb-Vo)*α (3)

Vt=Vo+(Vo-Vfb) (4)

Vot=Vt+ε2 (5)

정전류 제어기간에는, EC(101)의 설정부(55)에는 현재 피드백 전압(V1)으로 서 설정 전압(Vo)(4.20V)이 설정되고, 피드백 전압(Vfb)으로서 충전기(103)에 출력되고 있다. 이 설정 전압(Vo)은 충전기(103)의 정격 전압에 상당한다. 그러나, 정전류 제어기간은, 충전 전류(Iot)가 충전 제어 전류값(Ichg)과 동일해지도록 충전기(103)가 동작하기 때문에, 전압 피드백은 기능하고 있지 않다. #1에 나타내는 바와 같이 셀 전압(Vc)이 4.23V까지 상승하여 판독 전압(Vb)이 피드백 전압(Vfb)(4.20V)과 동일해지면 충전기(103)는 정전압 제어기간으로 들어가서, 식(4)에 나타내는 바와 같이 피드백 전압(Vfb)과 설정 전압(Vo) 사이의 차를 제로로 하는 목표 출력 전압(Vt)을 생성하도록 동작한다. 이 제어계에서는, 식(4)와 식(5)에 의해 계산되는 바와 같이, 피드백 전압(Vfb)이 4.20V일 때에, 출력 전압(Vot)과 셀 전압(Vc)이 4.23V가 되어 안정된다. 이때 판독 전압(Vb)은 과전압 설정값(Vop)(4.22V)보다 낮기 때문에 OVP(53)는 동작하지 않는다.

#1에서는, 셀 전압(Vc)이 4.23V일 때에 출력 전압(Vot)도 4.23V가 되어 안정되고 있으나, 환경 온도의 변화나 충전기(103)의 드리프트 등에 의해 셀 전압(Vc)이 #2에 나타내는 바와 같이 4.22V로 내려가는 경우가 있다. EC(101)는 이 상태를 판독 전압(Vb)이 4.19V로 저하한 것을 감지하고, 설정부(55)에 저장되어 있던 현재 피드백 전압(V1)(4.20V)을 식(2)에 의해 계산해서 수정 피드백 전압(V2)(4.19V)으로 치환하여 충전기의 전압 설정값 입력(Vset)에 공급한다. 충전기(103)는 식(4)에 나타내는 바와 같이 동작하여 목표 출력 전압(Vt)을 4.21V로 하도록 동작한다. 그러나, 실제로는 충전기(103)에 출력 오차(ε2)가 있기 때문에, 출력 전압(Vot)은 식(5)에 의해 계산되는 바와 같이 4.24V가 되어 셀 전압(Vc)은 상승한다.

#3은 #1의 상태로부터 셀 전압(Vc)이 4.21V로 내려갔을 때의 상태를 나타내고 있으며, #2와 동일하게 해서 EC(101)가 수정 피드백 전압(V2)을 계산하여 출력 전압(Vot)을 결정한다. #4는 셀 전압(Vc)이 4.24V로 변동했을 때의 모습을 나타내고 있다. 이때 판독 전압(Vb)은 4.21V가 되고, 과전압 설정값(Vop)(4.22V)에 도달하고는 있지 않으나 근접하기 때문에, EC(101)는 식(3)으로 수정 피드백 전압(V2)을 계산하여 피드백 전압(Vfb)으로서 충전기(103)에 출력한다. 식(3)에서는, 충전기(103)가 설정 전압값(Vo)에 대하여 출력 전압(Vt)을 수정하는 값인 Vb-Vo에 가중 계수 α(1.2)로 가중하여(weighting) 피드백의 효과를 크게 하고 있다.

그 결과, 충전기의 출력 전압(Vot)은 4.218V가 되고, 셀 전압(Vc)은 4.218V를 향하여 강하한다. 식(2)로 피드백 전압(Vfb)을 계산한 경우에는, 출력 전압(Vot)은 4.22V가 되고, 셀 전압(Vc)을 4.22V를 향하여 강하시킬 수 있으나, 식(3)을 사용한 경우에는, 보다 단시간에 전압을 강하시킬 수 있기 때문에, 급격히 셀 전압 (Vc)이 상승하는 경우라도 보다 확실하게 OVP(53)의 오동작을 방지할 수 있다. #5는 #4의 상태로부터 셀 전압(Vc)이 4.20V까지 내려갔을 때의 모습을 나타내고 있다. 설정부(55)에는, #4에서 계산된 수정 피드백 전압(V2)(4.212V)이 현재 피드백 전압(V1)으로서 저장되어 있다. 그리고, EC(101)는 수정 피드백 전압(V2)을 식(2)로 계산하여 피드백 전압값(Vfb)으로서 충전기에 보낸다. 충전기(103)는 충전기 출력(Vot)이 4.248V가 되고 셀 전압(Vc)이 상승한다.

이어서, #6∼#9에 대하여 설명한다. 이 제어계는, 판독 오차(ε1)가 +0.03V인 전압 측정 회로(51)와 출력 오차(ε2)가 -0.03V인 충전기(103)로 구성되어 있 다. 이 제어계는 셀 전압(Vc)이 4.17V일 때에 판독 전압(Vb)이 4.2V가 되어 정전압 제어로 이행하고, 충전기(103)는 출력 전압(Vot)을 4.17V로 하여 안정된다. #7, #8에서는, #6의 상태로부터 셀 전압(Vc)이 변화되었을 때의 수정 피드백 전압(V2)이 EC(101)에 의해 각각 식(2)로 계산되고, 식(4), 식(5)로 계산된 출력 전압(Vot)이 나타나 있다. #9에서는, #6의 상태로부터 셀 전압(Vc)이 4.18V로 변동하고, 판독 전압(Vb)이 4.21V에 도달했기 때문에, EC(101)는 식(3)을 사용해서 수정 피드백 전압(V2)(4.212V)을 계산하여 충전기(103)에 피드백 전압(Vfb)으로서 공급한다. 충전기(103)는 식(4), 식(5)로 계산되는 바와 같이 출력 전압(Vot)을 4.158V까지 저하시켜서 셀 전압(Vc)을 강하시키는 동작을 한다.

이어서, #10∼#15에 대하여 설명한다. 이 제어계는, 판독 오차(ε1)가 -0.03V인 전압 측정 회로(51)와 출력 오차(ε2)가 -0.03V인 충전기(103)로 구성되어 있다. 이 제어계에서는, #10에 나타내는 바와 같이 현재 피드백 전압(V1)이 설정 전압(Vo)(4.2V)으로 설정되어 있는 정전류 제어기간에 셀 전압(Vc)과 출력 전압(Vot)이 모두 4.17V가 된다. 그러나, 판독 전압(Vb)(4.14V)은 설정 전압(Vo)(4.20V)에 도달하고 있지 않기 때문에, 정전류 제어가 계속해서 행해져서 #11에 나타내는 바와 같이 판독 전압(Vb)이 4.23V에 도달할 때까지 셀 전압(Vc)이 상승한다. 이때 판독 전압(Vb)이 설정 전압(Vo)과 동일해지기 때문에 충전기(103)는 정전압 제어로 이행한다.

#11에서 정전압 제어로 이행했을 때에는, 셀 전압(Vc)은 4.23V에 도달하고 있으나, 출력 전압(Vot)은 4.17V까지 내려가 있기 때문에, 셀 전압(Vc)은 강하하여 #14에 나타내는 바와 같이 수정 피드백 전압(V2)이 4.17V일 때에 셀 전압(Vc)과 출력 전압(Vot)이 4.20V가 되도록 충전기(103)가 동작하여 안정된다. #14에서는, 현재 피드백 전압(V1)을 4.2V로 하여 셀 전압(Vc)이 #10의 상태로부터 #14의 상태로 이행한 것처럼 나타내고 있으나, 실제로는 셀 전압(Vc)이 다양한 변동을 나타내며, 그때마다 수정 피드백 전압(V2)이 계산되어 출력 전압(Vot)이 피드백 제어되고, #14의 셀 전압(Vc)(4.20V), 판독 전압(Vb)(4.17V), 수정 피드백 전압(V2)(4.17V), 및 출력 전압(Vot)(4.20V)의 관계에 수속한다.

이 제어계에서는, 안정 상태의 판독 전압(Vb)은 4.17V이고, 과전압 설정값(Vop)(4.22V)에 비하여 충분히 낮기 때문에, 실제로는 판독 전압(Vb)이 4.21V에 도달하여 식(3)으로 수정 피드백 전압을 계산할 필요는 없으나, 어떠한 요인으로 그러한 변동이 발생한 경우에는, 식(3)으로 수정 피드백 전압(V2)을 계산해도 좋다.

이어서, #16∼#20에 대하여 설명한다. 이 제어계는, 판독 오차(ε1)가 +0.03V인 전압 측정 회로(51)와 출력 오차(ε2)가 +0.03V인 충전기(103)로 구성되어 있다. 이 제어계는, #16에 나타내는 바와 같이, 셀 전압(Vc)이 4.17V일 때에 판독 전압(Vb)이 4.20V에 도달하여 정전압 제어로 이행한다. 그러나 이 시점에서는 충전기 출력이 4.23V이기 때문에, 셀 전압(Vc)은 더욱 상승한다. 그리고, 충전기(103)는 #19에 나타내는 바와 같이 수정 피드백 전압(V2)이 4.23V일 때에 셀 전압(Vc)과 출력 전압(Vot)이 4.20V가 되어 안정되도록 동작한다. 그러나, 셀 전압(Vc)이 4.20V일 때는 판독 전압(Vb)이 이미 과전압 설정값(Vop)(4.22V)을 넘고 있기 때문에, 이 제어계는 그러한 상태에서 동작할 수 없다.

이 제어계에서는, #20에 나타내는 바와 같이 셀 전압(Vc)이 4.18V에 도달하고 판독 전압(Vb)이 4.21V가 되었을 때에, 식(3)에 기초하여 수정 피드백 전압(V2)을 계산하고, 출력 전압(Vot)을 동일한 판독 전압(Vb)인 #17에서 계산된 출력 전압(Vout)(4.22V)보다 더욱 낮은 4.218V까지 낮춰서, OVP(53)가 동작하는 것을 방지할 수 있다.

도 2에 도시한 4개의 충전 시스템에서는, 판독 오차(ε1)와 출력 오차(ε2)의 크기와 이들의 조합에 의해 실제로 안정되는 출력 전압(Vot)은 다르지만, 어떠한 경우라도 정격 전압(Vo)을 4.20V로 설정할 수 있다. 본 실시형태에서는, 전지팩의 전압 측정 회로(51)가 측정한 전압이, OVP(53)가 동작하는 값에 근접했을 때에 EC(101)가 피드백 전압(Vfb)을 수정하여 출력 전압(Vot)을 낮추고 있기 때문에, 판독 오차(ε1)와 출력 오차(ε2)에 의해 당해 충전 시스템에서 허용되는 최대의 출력 전압(Vot)으로 전지셀을 충전할 수 있다. 도 5의 예에서는, 판독 오차(ε1)가 최대로 ±0.03V인 전압 측정 회로와 출력 오차가 최대로 ±0.03V인 충전기로 이루어지는 충전 시스템에 있어서, #1∼#5의 충전 시스템의 셀 전압이 가장 높아지고, #6∼#9의 충전 시스템의 셀 전압이 가장 낮아지지만, 어떠한 충전 시스템에 대해서도 설정 전압(Vo)을 4.20V로 하여 OVP(53)의 보증값을 4.25V로 할 수 있다.

또한 도 2에 도시한 충전 시스템에서는, 충전의 소요 시간을 단축하는 부차적 효과도 있다. 충전기(103)의 전압 피드백 입력(FB-V)에 공급하는 피드백 전압(Vfb)을 전지팩측에서 측정한 경우와 노트 PC(10)측에서 측정한 경우에서는, 그 사이에 수많은 전자 부품, 배선, 및 커넥터 등의 저항(104)에 기인하는 전압 강하가 있기 때문에, 전자의 측정값에 비하여 후자의 측정값이 약간 높은 전압이 된다. 그 때문에, 판독 전압(Vb)이 설정 전압(Vo)에 도달했을 때에 충전기(103)가 정전류 제어로부터 정전압 제어로 전환된다고 한 경우에, 종래와 같이 피드백 전압(Vfb)을 노트 PC측에서 측정하면, 전지팩측에서 측정하는 것보다도 빠르게 정전압 제어로 전환된다. 이것은, 정전류 제어에 의해 충전되는 시간이 짧아지기 때문에, 만충전 용량까지 충전하는 시간이 길어지게 된다. 이 점에서 본 실시형태에 따른 충전 시스템은 종래 방식보다도 충전 시간을 단축할 수 있다.

도 6은 종래 방식과 본 실시형태의 충전 시스템에 대하여, 충전 소요 시간에 관해서 실험한 결과에 대하여 도시하고 있다. 라인(71, 73)은 도 3(a)에 도시한 종래의 충전 시스템에서 전지셀을 충전한 경우의 충전 전류와 충전 용량을 나타내고, 라인(75, 77)은 도 2에 도시한 충전 시스템에서 동일한 전지셀을 충전한 경우의 충전 전류와 충전 용량을 나타내고 있다. 라인(71)이 나타내는 바와 같이 종래 방식에서는, 시각 t1b에서 충전기(103)의 동작이 정전류 제어로부터 정전압 제어로 전환되어, 라인(73)에 나타내는 바와 같이 시각 t2b에서 만충전 용량에 도달하고 있다. 이에 비하여 본 실시형태의 방식에서는, 라인(75)에 나타내는 바와 같이 시각 t1b보다 긴 시간이 경과한 시각 t1a에서 충전기(103)의 동작이 정전류 제어로부터 정전압 제어로 전환되어, 라인(77)에 나타내는 바와 같이 시각 t2b보다 짧은 시간으로 도달하는 시각 t2a에서 만충전 용량에 도달하였다. 도 2의 충전 시스템에서는, 만충전까지의 소요 시간이 종래 방식에 비하여 약 20분 단축할 수 있었던 것이 된다.

도 7은 사단법인 전지 공업회 및 사단법인 전자 정보 기술 산업협회에 의해 장려되는 리튬·이온 축전지의 안전 기준에 있어서의, 사용 온도 범위에 대한 설정 전압과 과전압 설정값을 도시하는 도면이다. T2∼T3(10℃∼45℃)의 온도 범위가 표준 온도범위(溫度域)가 되며, 리튬·이온 축전지가 가장 양호한 성능을 안전하게 발휘할 수 있다고 하는 온도범위이다. 상술한 설정 전압(Vo)(4.20V) 및 과전압 설정값(Vop)(4.25V)의 값은, 이 표준 온도범위에서의 충전 조건에 기초하고 있다.

리튬·이온 축전지를 표준 온도범위에서 벗어나는 온도에서 사용하는 경우는, 안전성의 견지에서, 표준 온도범위보다 낮은 충전 전압으로 충전하는 것이 바람직하다고 되어 있다. 구체적으로는 T1∼T2(0℃∼10℃)가 저온범위, 또한 T3∼T4(45℃∼50℃)가 고온범위가 되고, 저온범위 및 고온범위에서는, 모두 설정 전압(Vo)을 4.10V로 하고 과전압 설정값(Vop)을 4.15V로 하는 것이 장려된다. 표준 온도범위, 저온범위, 고온범위의 어느 곳으로부터도 벗어나는 0℃ 이하 및 50℃ 이상의 온도범위에서는, 리튬·이온 축전지는 충전 금지가 된다. 또, 여기에서 나타낸 T1∼T4의 각각의 온도값과, 각각의 온도범위에 있어서의 설정 전압(Vo) 및 과전압 설정값(Vop)은, 한정적인 의미가 아니라, 다른 값이 장려되도록 된 경우는 그것으로 치환된다.

그래서, 본 실시형태에 따른 충전 시스템에서는, 설정 전압(Vo)과 과전압 설정값(Vop)을, 전지팩(10)이 사용되는 환경에서의 온도에 따라서 전환하는 것이 가능하다. 도 7에서는, 실선의 라인이 설정 전압(Vo)을 나타내고, 파선의 라인이 과 전압 설정값(Vop)을 나타내고 있다. 환경 온도에 따라서 EC(101)는 기준 전압원(123)의 출력을 변경하여 전압 설정값 입력(Vset)의 설정 전압(Vo)을 전환하고, MPU(23)는 프로그램에 의해 과전압 설정값(Vop)을 변경한다.

EC(101)는 전지팩(10)의 내부에서 전지셀(11∼13) 근방에 배치된 서미스터(27)에 의해, 전지셀(11∼13) 주변의 온도를 검출한다. EC(101)가, 서미스터(27)로 검출한 온도가 고온범위 또는 저온범위의 온도라고 판단하면, 우선 EC(101)가 기준 전압원(123)의 출력을 변경하여 전압 설정값 입력(Vset)의 설정 전압(Vo)을 전환한다. 이어서, EC(101)는 설정부(55)에 저장되어 있던 현재 피드백 전압(V1)을 전환된 설정 전압(Vo)으로 변경하여 정전류 제어로부터 정전압 제어로 이행하는 전압을 낮춘다. MPU(103)는 EC(101)로부터 온도의 데이터를 수신하면, 과전압 설정값(Vop)을 전환된 설정 전압(Vo)에 대응하는 값으로 변경한다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 표준 온도범위에서는, Vop=4.25V, Vo=4.20V의 설정으로 되고, 저온범위 및 고온범위에서는, Vop=4.15V, Vo=4.10V의 설정으로 된다.

리튬·이온 축전지를 충전할 때에는 충전 제어 전압(Vchg)을 높은 정밀도로 관리할 필요가 있는 한편, 충전 제어 전류(Ichg)는 충전 제어 전압(Vchg) 정도의 정밀도로 제어할 필요는 없고 노트 PC(100)측에서 측정해도 전지팩(10)측에서 측정해도 거의 동일한 값이 된다. 따라서, 도 1에서는 전압 피드백 입력(Vset)과 전류 피드백 입력(Iset)의 양방을, 전지팩(10)으로부터 공급하고 있으나, 전류 피드백 입력(Iset)에 대한 충전 전류(Iot)는 종래의 구성과 같이 노트 PC(100)측에 센스 저항을 설치하고 그곳으로부터 충전기(103)에 피드백하도록 해도 좋다.

도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 SBS 규격에 준거한 전지팩(10) 및 노트 PC(100)의 개략 구성을 도시하는 블록도이다. 도 9는 도 8의 충전 시스템 중에서, 전압 피드백계를 상세하게 설명하기 위한 블록도이다. 도 8, 도 9에 있어서, 도 1과 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙이고 설명을 생략한다. 이 충전 시스템에서는, 전지팩(10)으로부터 수신한 충전 전류와 판독 전압(Vb)을, EC(101)는 충전기(103)의 전류 설정값 입력(Iset) 및 전압 설정값 입력(Vset)으로 보낸다. 충전기(103)의 전압 피드백 입력(FB-V) 및 전류 피드백 입력(FB-I)에는, 노트 PC측에 준비된 분압 저항(113, 115)과 센스 저항(117)으로부터의 출력이 접속된다. 전압 피드백 입력(FB-V)에는, 피드백 전압(Vfb)이 입력된다.

이 충전 시스템에서는, EC(101)의 설정부(55)에 현재 설정 전압(V3) 또는 수정 설정 전압(V4)이 저장된다. 수정 설정 전압(V4)은 EC(101)가 식(2), 식(3)에 준한 식으로 계산한다. 수정 설정 전압(V4)은 일단 설정부(55)에 저장되면 현재 설정 전압(V3)이 되고, 설정부(55)로부터는 현재 설정 전압(V3)이 충전기(103)의 전압 설정값 입력(Vset)에 설정 전압(Vo)으로서 공급된다. 정전류 제어기간은 현재 설정 전압(V3)이 정격 전압의 4.20V가 되도록 설정되고, 피드백 전압(Vfb)이 4.20V에 도달했을 때에 충전기(103)는 정전압 제어로 전환된다. 정전압 제어기간에 충전기(103)는, 피드백 전압(Vfb)의 값과 설정 전압(Vo)의 값이 동일해지도록 동작한다.

EC(101)는 도 2의 충전 시스템의 경우와는 반대로, 판독 전압(Vb)의 값이 커지면, 수정 설정 전압(V2)이 커지도록 수정하여 출력 전압(Vot)을 낮추고, 판독 전 압(Vb)의 값이 작아지면 수정 설정 전압(V2)이 작아지도록 수정하여 출력 전압(Vot)을 올린다. 그리고, 판독 전압(Vb)이 과전압 설정값(Vop)에 근접해 왔을 때에는, 식(3)에 준한 식으로 가중 계수를 사용하여 현재 설정 전압(V3)을 수정한 수정 설정 전압(V4)을 충전기(103)에 보내어, OVP(53)의 오동작을 방지한다.

지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시한 특정의 실시형태를 가지고 설명해 왔으나, 본 발명은 도면에 도시한 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 효과를 나타내는 한, 지금까지 알려진 어떠한 구성이라도 채용할 수 있는 것은 말할 것도 없다.

댐·배터리나 스마트·배터리 등의 전지팩을 충전하는 축전지의 충전 시스템에 있어서 이용 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 전지팩 및 노트 PC로 구성된 충전 시스템을 도시하는 블록도이다.

도 2는 도 1의 충전 시스템 중에서, 전압 피드백계를 상세하게 설명하기 위한 블록도이다.

도 3은 도 2의 전압 피드백계에 있어서의 충전기의 설정 전압과 과전압 설정값과의 관계를 도시하는 도면이다.

도 4는 충전 개시 후의 충전기로부터 출력되는 충전 전압 및 충전 전류의 시간적인 변화를 설명하는 도면이다.

도 5는 도 3에 도시한 충전 시스템의 전압 피드백 제어계의 동작을 설명하는 도면이다.

도 6은 충전 소요 시간을 도시하는 도면이다.

도 7은 리튬·이온 전지의 사용 온도 범위에 대한 설정 전압과 과전압 설정값의 관계를 도시하는 도면이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 전지팩 및 노트 PC로 구성된 충전 시스템을 도시하는 블록도이다.

도 9는 도 8의 충전 시스템 중에서, 전압 피드백계를 상세하게 설명하기 위한 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 201: 전지팩 11, 12, 13, 205: 전지셀

15: 센스 저항 21: AFE

23: MPU 27: 서미스터

100: 노트 PC 101: 임베디드·컨트롤러(EC)

103: 충전기 105, 107: FET

123: 기준 전압원

Claims

전지셀과, 상기 전지셀의 셀 전압을 측정하는 전압 측정 회로와, 상기 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 도달했을 때에 상기 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호 회로를 구비하는 충전 시스템으로서,

피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력을 구비하여 상기 전지셀을 충전하는 충전기와,

상기 판독 전압과 상기 설정 전압에 기초해서 생성한 제어 전압을 상기 충전기에 공급하여 상기 충전기의 출력 전압을 피드백 제어하는 제어부

를 갖는 충전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 충전기가 상기 전지셀을 정전류 정전압 제어하고, 상기 충전기는 정전압 제어기간에 상기 제어 전압에 기초하여 상기 출력 전압을 피드백 제어하는 것인, 충전 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제어부는 정전압 제어기간에, 상기 판독 전압과 상기 설정 전압을 사용하여 상기 제어 전압의 현재 값을 수정한 수정 제어 전압을 상기제어 전압의 새로운 현재 값으로서 상기 충전기에 공급하는 것인, 충전 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제어부는 정전류 제어기간에, 상기 충전기의 정격 전 압을 상기 제어 전압으로서 상기 충전기에 공급하는 것인, 충전 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 판독 전압이 상기 과전압 설정값에 근접했을 때에, 근접하고 있지 않을 때에 비하여 상기 출력 전압을 한층 더 강하시키는 상기 수정 제어 전압을 생성하는 것인, 충전 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 전압이 상기 충전기의 전압 피드백 입력에 공급되고 기준 전압원이 상기 설정값 입력에 접속되는 것인, 충전 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 전압이 상기 충전기의 설정값 입력에 공급되고 상기 출력 전압이 상기 전압 피드백 입력에 공급되는 것인, 충전 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 전압의 상기 설정 전압에 대한 출력 오차의 범위와 판독 전압의 상기 셀 전압에 대한 상기 과전압 설정값에 대응하는 오차의 범위가 오버랩되는 부분을 포함하도록 상기 설정 전압과 상기 과전압 설정값을 설정하는 것인, 충전 시스템.
전지팩과, 상기 전지팩이 장착되는 전자 기기로 구성되는 충전 시스템으로서, 상기 전지팩은,

전지셀과,

상기 전지셀의 셀 전압을 측정하는 전압 측정 회로와,

상기 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 도달했을 때에 상기 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호부를 포함하는 프로세서를 가지며,

상기 전자 기기는,

피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력을 구비하여 상기 전지셀을 충전하는 충전기와,

상기 전지팩으로부터 수신한 상기 판독 전압에 기초하여 생성한 제어 전압을 상기 충전기에 공급하여 상기 충전기의 출력 전압을 피드백 제어하는 컨트롤러를 갖는 것인, 충전 시스템.
제9항에 있어서, 상기 전지팩이 상기 전지팩 내의 온도를 측정하는 온도 소자를 포함하고, 상기 설정 전압이 상기 온도 소자가 측정한 온도에 기초하여 변경되는 것인, 충전 시스템.
전지팩과, 상기 전지팩이 장착되는 전자 기기로 구성되는 충전 시스템으로서, 상기 전지팩은,

전지셀과,

상기 전지셀의 셀 전압을 측정하는 전압 측정 회로와,

상기 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 도달했을 때에 상기 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호부를 포함하고, 상기 판독 전압에 기초하여 제어 전압을 생성하는 프로세서를 가지며,

상기 전자 기기는,

피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력을 구비하여 상기 전지셀을 충전하는 충전기와,

상기 프로세서로부터 수신한 상기 제어 전압을 상기 충전기에 공급하여 상기 충전기의 출력 전압을 피드백 제어하는 컨트롤러를 갖는 것인, 충전 시스템.
정전류 정전압 방식으로 동작하는 충전기를 탑재하는 전자 기기에 장착이 가능한 전지팩으로서,

전지셀과,

상기 전지셀의 전압을 측정하는 전압 측정 회로와,

상기 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 도달했을 때에 상기 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호 회로를 포함하고, 상기 판독 전압에 기초하여 생성한 제어 전압을 상기 충전기에 공급하여 상기 충전기의 출력 전압을 피드백 제어하는 프로세서를 갖는 전지팩.
전지셀과, 상기 전지셀의 셀 전압을 측정하는 전압 측정 회로와, 상기 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 도달했을 때에 상기 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩의 장착이 가능한 전자 기기로서,

피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력을 구비하여 상기 전지셀을 충전하는 충전기와,

상기 전지팩으로부터 수신한 상기 판독 전압에 기초하여 생성한 제어 전압을 상기 충전기에 공급하여 상기 충전기의 제어 전압을 피드백 제어하는 컨트롤러를 갖는 전자 기기.
전지셀과, 상기 전지셀의 셀 전압을 측정하는 전압 측정 회로와, 상기 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 도달했을 때에 상기 전지셀에 대한 충전을 정지시키는 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩을, 피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력을 구비하는 충전기로 충전하는 방법으로서,

정전류 제어로 상기 전지셀을 충전하는 단계와,

상기 판독 전압에 기초하여 생성한 제어 전압을 정전압 제어기간에 상기 전압 피드백 입력에 공급하는 단계와,

상기 판독 전압의 변화에 응답하여 상기 제어 전압을 수정하고, 수정한 상기 제어 전압을 상기 전압 피드백 입력에 공급하는 단계를 갖는 충전 방법.
전지셀과, 상기 전지셀의 셀 전압을 측정하는 전압 측정 회로와, 상기 전압 측정 회로가 측정한 판독 전압이 과전압 설정값에 도달했을 때에 상기 전지셀에 대 한 충전을 정지시키는 과전압 보호 회로를 구비하는 전지팩을, 피드백 전압을 수신하는 전압 피드백 입력과 설정 전압을 수신하는 설정값 입력을 구비하는 충전기로 충전하는 방법으로서,

정전류 제어로 상기 전지셀을 충전하는 단계와,

상기 판독 전압에 기초하여 생성한 제어 전압을 정전압 제어기간에 상기 설정값 입력에 공급하는 단계와,

상기 판독 전압의 변화에 응답하여 상기 제어 전압을 수정하고, 수정한 상기제어 전압을 상기 설정값 입력에 공급하는 단계를 갖는 충전 방법.