KR20110093023A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 모바일 폰 충전기를 이용하여 충전할 수 있는 휴대용 컴퓨터용 배터리 팩을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀, 다수의 배터리 셀에 전기적으로 연결되어, 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고, 배터리 셀 각각의 전압이 동일해지도록 셀 밸런싱하는 제어부 및 배터리 셀 각각에 전기적으로 연결되고, 제어부의 제어신호에 의해 배터리 셀 각각에 시간 분할하여 순차적으로 충전 전압을 제공하는 충전 회로로 이루어진 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 노트북 컴퓨터 또는 넷북(net book)과 같은 휴대용 컴퓨터는 전원 장치로서 충전이 가능한 배터리 팩 및 배터리 팩의 충전을 위한 전용 충전기(어댑터)를 포함한다.
상기 배터리 팩은 통상 3~6개의 배터리 셀 및 보호회로를 포함하며, 최근에는 상기 배터리 셀로서 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 주로 사용된다. 또한, 상기 배터리 셀은 통상 직렬로 연결되어 휴대용 컴퓨터에 대략 10~20V의 직류전압을 제공한다. 따라서, 상기 전용 충전기 역시 상기 배터리 팩의 충전 및 휴대용 컴퓨터의 전원 공급을 위해 대략 10~20V의 직류 전압을 제공한다.
이와 같이 하여, 상기 전용 충전기는 대략 10~20V의 직류 전압을 배터리 팩의 충전을 위해 제공하거나 또는 휴대용 컴퓨터의 전원으로 제공하여야 하므로, 통상 그 크기가 매우 크고, 무게가 무겁다. 더욱이, 대부분의 휴대용 컴퓨터 제조 회사에서는 전용 충전기보다는 휴대용 컴퓨터의 크기나 무게를 줄이는데 연구를 집중함으로써, 전용 충전기의 크기나 무게는 여전히 크고 무겁다. 따라서, 상기 휴대용 컴퓨터와 함께 상기 전용 충전기를 휴대하기는 매우 불편하다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 모바일 폰 충전기를 이용하여 충전할 수 있는 노트북용 배터리 팩을 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 배터리 팩은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀; 상기 다수의 배터리 셀에 전기적으로 연결되어, 상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고, 배터리 셀 각각의 전압이 동일해지도록 셀 밸런싱하는 제어부; 및, 상기 배터리 셀 각각에 전기적으로 연결되고, 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 배터리 셀 각각에 시간 분할하여 순차적으로 충전 전압을 제공하는 충전 회로를 포함한다.
상기 충전 회로는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압을 상기 배터리 셀 각각에 제공한다.
상기 충전 회로는 상기 배터리 셀 각각에 2.5~4.25V의 충전 전압을 제공한다.
상기 충전 회로에는 모바일 폰 충전기가 전기적으로 연결된다.
상기 충전 회로는 현재 충전중인 배터리 셀의 전압이 현재 충전중이 아닌 다른 배터리 셀의 전압에 비해 5~15mV보다 크면 충전을 정지한다.
상기 모바일 폰 충전기와 상기 충전 회로의 사이에는 상기 제어부에 의해 턴온 또는 턴오프되는 충전 스위치가 더 연결된다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압이 상기 배터리 팩에 제공될 경우, 상기 충전 스위치를 턴온한다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 큰 충전 전압이 상기 배터리 팩에 제공될 경우 상기 충전 스위치를 턴오프한다.
상기 제어부와 상기 다수의 배터리 셀 사이에는, 상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하기 위한 센싱 와이어가 연결되고, 상기 충전 회로는 상기 센싱 와이어를 통하여 배터리 셀의 각각에 충전 전압을 제공한다.
상기 충전 회로는 모바일 폰 충전기의 양극 단자와 선택된 배터리 셀의 양극을 전기적으로 연결하는 양극 스위치; 상기 모바일 폰 충전기의 음극 단자와 상기 선택된 배터리 셀의 음극을 전기적으로 연결하는 음극 스위치; 및, 상기 양극 스위치 및 상기 음극 스위치를 동시에 턴온 또는 동시에 턴오프하는 충전 제어부를 포함한다.
상기 충전 제어부는 배터리 셀 각각에 대응되어 설치된 양극 스위치 및 음극 스위치를 시간 분할하여 순차적으로 턴온한다.
본 발명에 의한 배터리 팩은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀; 상기 다수의 배터리 셀에 전기적으로 연결되어, 상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고, 배터리 셀 각각의 전압이 동일해지도록 셀 밸런싱하는 제어부; 및, 상기 배터리 셀에 전기적으로 연결되고, 상기 제어부의 제어신호에 의해 충전 전압을 승압하여 상기 배터리 셀에 공급하는 승압 회로를 포함한다.
상기 승압 회로에는 모바일 폰 충전기가 전기적으로 연결된다.
상기 승압 회로에는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압이 입력된다.
상기 승압 회로에는 2.5~4.25V의 충전 전압이 입력된다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압이 상기 배터리 팩에 공급될 경우, 상기 승압 회로가 동작하도록 하는 제어신호를 출력한다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 큰 충전 전압이 상기 배터리 팩에 제공될 경우, 상기 승압 회로가 동작하지 않도록 제어신호를 출력하지 않는다.
상기 다수의 배터리 셀중 최고 전위를 갖는 배터리 셀의 양극 단자에는 팩 양극 단자가 연결되고, 상기 승압 회로의 출력 전압은 상기 팩 양극 단자에 공급된다.
상기 다수의 배터리 셀중 최저 전위를 갖는 배터리 셀의 음극 단자에는 팩 음극 단자가 연결되고, 상기 승압 회로의 그라운드 전압은 상기 팩 음극 단자에 제공된다.
본 발명은 상대적으로 저전압을 출력하는 모바일 폰 충전기를 이용하여, 휴대용 컴퓨터에 장착되는 배터리 팩을 충전할 수 있다. 즉, 본 발명은 모바일 폰 충전기로부터 출력되는 상대적으로 저전압인 충전 전압을 다수의 배터리 셀에 시간 분할하여 순차 제공함으로써, 전용 충전기없이도 간편하게 휴대용 컴퓨터의 배터리 팩을 충전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩 중에서 충전 회로를 도시한 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩 중에서 충전 제어부의 일례를 도시한 회로도 및 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩 중에서 밸런싱 회로의 일례를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 회로도이다.
도 6a는 휴대형 컴퓨터와 전용 충전기의 연결 관계를 도시한 도면이고, 도 6b는 휴대형 컴퓨터의 배터리 팩과 모바일 폰 충전기의 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 B1, B2 및 B3, 제어부(110), 충전 회로(120) 및 충전 스위치 MCFET를 포함한다.
폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-가 상기 충전 회로(120)에 전기적으로 연결된다. 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P- 가 상기 배터리 셀 B1 및 B3에 각각 전기적으로 연결된다. 또한, 충전 스위치 CFET 및 방전 스위치 DFET가 상기 팩 양극 단자 P+와 배터리 셀 B1 사이에 전기적으로 연결된다. 전류 센스 저항 R이 상기 팩 음극 단자 P-와 배터리 셀 B3 사이에 전기적으로 연결된다.
여기서, 상기 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-에는 상대적으로 저전압인 대략 2.5~4.25V의 전압을 출력하는 모바일 폰 충전기가 연결됨을 밝힌다. 또한, 상기 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P- 에는 상대적으로 고전압인 대략 5~20V의 전압을 출력하는 전용 충전기가 연결됨을 밝힌다.
상기 배터리 셀 B1, B2 및 B3은 다수개가 직렬로 연결된다. 물론, 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각에는 다른 배터리 셀이 병렬로 더 연결될 수 있다. 더불어, 도면에서는 비록 3개의 배터리 셀 B1, B2 및 B3이 직렬로 연결된 것을 도시하였으나, 2개 또는 4개 이상의 배터리 셀이 직렬로 연결될 수도 있다. 상기 배터리 셀 B1, B2 및 B3은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 및 그 등가물중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 배터리 셀의 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 제어부(110)는 제어회로(111) 및 전압 감지 및 밸런싱 회로(112)를 포함한다. 통상 상기 제어부(110)는 하나의 집적회로칩으로 형성될 수 있으나, 이로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 상기 제어회로(111)는 배터리 팩(100)의 과충전, 과방전 및 과전류시, 상기 충전 스위치 CFET 또는 MCFET, 또는 방전 스위치 DFET를 턴오프한다. 더불어, 상기 제어회로(111)는 클럭 단자 C 및 데이터 단자 D를 포함하고, 이를 통하여 외부 장치와 통신을 수행한다. 상기 전압 감지 및 밸런싱 회로(112)는 센싱 와이어 W1, W2, W3 및 W4를 통하여 상기 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각의 전압, 배터리 팩(100)의 전체 전압을 감지한다. 여기서, 낱개의 배터리 셀이 갖는 전압에 비해 다수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩의 전압이 당연히 더 높다. 상기 전압 감지 및 밸런싱 회로(112)는 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각의 전압이 비슷해지도록 셀 밸런싱 기능도 수행한다. 더불어, 상기 제어부(110)는 충전 스위치 MCFET를 턴온 또는 턴오프하기 위한 제어 신호를 출력한다. 또한, 상기 제어부(110)는 충전 회로(120)에 클럭 신호를 제공할 수도 있다. 더불어, 상기 제어부(110)는 충전 스위치 MCFET 및 방전 스위치 DFET를 턴온 또는 턴오프하기 위한 제어 신호를 출력한다.
상기 충전 회로(120)는 모바일 폰 충전기로부터 공급된 충전 전압을 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각에 시간 분할하여 순차적으로 제공한다. 이를 위해, 상기 충전 회로(120)는 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 충전 회로(120)는 센싱 와이어 W1, W2, W3 및 W4를 통하여 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각에 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 충전 회로(120)는 상기 센싱 와이어 W1, W2, W3 및 W4를 이용하여, 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각에 시간 분할하여 순차적으로 충전 전압을 제공한다.
상기 충전 스위치 MCFET는 상기 폰 양극 단자 M+와 충전 회로(120) 사이에 전기적으로 연결된다. 더불어, 충전 스위치 MCFET는 제어 전극이 제어회로(111)에 전기적으로 연결된다. 이러한 충전 스위치 MCFET는 상기 제어부(110)에 의해 턴온 또는 턴오프된다. 예를 들면, 상기 배터리 팩(100)의 전압(예를 들면 9V)보다 작은 충전 전압(예를 들면 3V)이 상기 배터리 팩(100)에 공급될 경우, 상기 제어부(110)는 상기 충전 스위치 MCFET를 턴온한다. 물론, 이때 충전 전압은 모바일 폰 충전기에 의해 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-로 입력된다. 그러나, 상기 배터리 팩(100)의 전압보다 큰 충전 전압(예를 들면 10V)이 상기 배터리 팩(100)에 공급될 경우, 상기 제어부(110)는 상기 충전 스위치 MCFET를 턴오프한다. 물론, 이때 충전 전압은 전용 충전기에 의한 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-로 입력된다. 더불어, 제어부(110)는 배터리 셀 B1, B2 및 B3이 과충전 상태에 있다고 판단될 경우, 상기 충전 스위치 MCFET를 턴오프함으로써, 배터리 셀의 열화를 방지한다.
상술한 바와 같이 폰 양극 단자 M+는 충전 회로(120)에 연결되고, 또한 폰 음극 단자 M- 역시 충전 회로(120)에 연결된다. 즉, 상기 폰 양극 단자 M+와 팩 양극 단자 P+는 전기적으로 분리된 상태이다. 또한, 상기 폰 음극 단자 M-와 팩 음극 단자 P-는 전기적으로 분리된 상태이다. 더불어, 이러한 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-에는 배터리 팩(100)의 전압보다 작은 충전 전압 예를 들면, 2.5~4.25V의 충전 전압을 제공하는 모바일 폰 충전기가 연결된다.
상기 팩 양극 단자 P+는 최고 전위를 갖는 배터리 셀 B1의 양극에 전기적으로 연결된다. 상기 팩 음극 단자 P-는 최저 전위(그라운드 전위)를 갖는 배터리 셀 B3의 음극에 전기적으로 연결된다. 상술한 바와 같이 상기 팩 양극 단자 P+는 폰 양극 단자 M+와 전기적으로 분리되고, 상기 팩 음극 단자 P-는 폰 음극 단자 M-와 전기적으로 분리된다.
여기서, 상기 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-는 실질적으로 전용 충전기가 연결되는 영역이다. 예를 들어, 배터리 팩(100)이 휴대용 컴퓨터에 장착된다면, 상기 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-는 휴대용 컴퓨터에 설치된 전원 입력 단자일 수 있다. 여기서, 모바일 폰 충전기와 전용 충전기에 의한 동시 충전을 방지하기 위해, 상기 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-는 배터리 팩(100)의 자체에 설치되어 있다. 즉, 휴대용 컴퓨터의 외측으로 전원 입력 단자를 통하여 상기 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-는 노출되지만, 상기 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-는 노출되지 않는다. 이에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.
상기 충전 스위치 CFET 및 방전 스위치 DFET는 상기 팩 양극 단자 P+와 배터리 셀 B1 사이에 전기적으로 연결된다. 상기 충전 스위치 CFET는 배터리 셀 B1, B2 및 B3중 어느 하나라도 과충전 상태에 있게 되면, 제어부(110)의 제어 신호에 의해 턴오프됨으로써, 충전이 정지되도록 한다. 상기 방전 스위치 DFET는 배터리 셀 B1, B2 및 B3중 어느 하나라도 과방전 상태에 있게 되면, 제어부(110)의 제어 신호에 의해 턴오프됨으로써, 방전이 방지되도록 한다. 물론, 상기 제어부(110)는 상기 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-에 모바일 폰 충전기가 연결되어, 배터리 셀이 충전되는 도중 과충전 상태가 되면, 상기 충전 스위치 MCFET를 턴오프한다.
상기 전류 센스 저항 R은 팩 음극 단자 P-와 최저 전위를 갖는 배터리 셀 B3의 음극 사이에 전기적으로 연결된다. 상기 전류 센스 저항 R은 충전 전류 또는 방전 전류를 감지하여 제어부(110)에 전송한다. 따라서 상기 제어부(110)는 상기 전류 센스 저항 R로부터 얻은 전류 정보에 기초하여 상기 CFET 또는 방전 스위치 DFET를 턴오프한다. 더불어, 상기 제어부(110)는 상기 전류 센스 저항 R로부터 얻은 전류 정보에 기초하여 상기 MCFET를 턴오프한다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 전용 충전기 뿐만 아니라 저전압을 출력하는 모바일 폰 충전기에 의해서도 충전될 수 있다. 즉, 본 발명은 모바일 폰 충전기로부터 공급되는 낮은 충전 전압을 시간 분할하여 순차적으로 배터리 셀 B1, B2 및 B3에 공급함으로써, 결국 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 B1, B2 및 B3을 모두 충전하게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩 중에서 충전 회로를 도시한 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 충전 회로(120)는 충전 제어부(121)와, 다수의 스위치를 포함한다. 물론, 충전 회로(120)는 다수의 센싱 와이어 W1, W2, W3 및 W4를 통하여 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각에 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 충전 제어부(121)는 예를 들면 클럭 신호를 입력받을 수 있다. 상기 클럭 신호는 상기 제어부(110)로부터 공급된 것일 수 있다. 물론, 충전 회로(120)의 자체에 클럭 발생기가 형성될 수도 있다. 상기 충전 제어부(121)는 예를 들면 3개의 하이 레벨 신호 S1, S2 및 S3를 출력한다.
한편, 충전 회로(120)는 입력 단자 VIN을 포함하고, 상기 입력 단자 VIN에는 폰 양극 단자 M+가 연결된다. 또한, 상기 충전 회로(120)는 접지 단자 GND를 포함하고, 상기 접지 단자 GND에는 폰 음극 단자 M-가 연결된다.
상기 입력 단자 VIN에는 3개의 스위치 S21, S22 및 S23이 연결된다. 상기 접지 단자 GND에도 3개의 스위치 S31, S32 및 S33이 연결된다. 여기서, 상기 스위치 S21, S22, S23, S31, S32 및 S33은 상기 충전 제어부(121)로부터 출력되는 제어 신호 S1, S2 및 S3에 의해 턴온 및 턴오프된다. 즉, 상기 제어 신호 S1에 의해 스위치 S21 및 S31은 동시에 턴온 또는 턴오프된다. 상기 제어 신호 S2에 의해 스위치 S22 및 S32는 동시에 턴온 또는 턴오프된다. 상기 제어 신호 S3에 의해 스위치 S23 및 S33은 동시에 턴온 또는 턴오프된다.
상기 스위치 S21은 단자 V1에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 단자 V1은 제1센싱 와이어 W1를 통하여 배터리 셀 B1의 양극에 연결된다.
상기 스위치 S22는 단자 V2에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 단자 V2는 제2센싱 와이어 W2를 통하여 배터리 셀 B1의 음극에 전기적으로 연결된다. 더불어 상기 제2센싱 와이어 W2는 배터리 셀 B2의 양극에 전기적으로 연결된다. 더욱이, 상기 단자 V2는 상기 스위치 S31에 전기적으로 연결된다.
상기 스위치 S23은 단자 V3에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 단자 V3은 제3센싱 와이어 W3를 통하여 배터리 셀 B2의 음극에 전기적으로 연결된다. 더불어 상기 제3센싱 와이어 W3는 배터리 셀 B3의 양극에 전기적으로 연결된다. 더욱이, 상기 단자 V3은 상기 스위치 S32에 전기적으로 연결된다.
상기 스위치 S32는 접지 단자 V4에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 단자 V4는 제4센싱 와이어 W4를 통하여 배터리 셀 B3의 음극에 연결된다.
이와 같이 하여, 본 발명은 충전 제어부(121)로부터 하이 레벨의 제어 신호 S1이 출력되면, 스위치 S21 및 스위치 31이 턴온된다. 물론, 이때 제어 신호 S2 및 S3는 로우 레벨이다.
따라서, 폰 양극 단자 M+, 단자 VIN, 스위치 S21, 단자 V1, 제1센싱 와이어 W1, 배터리 셀 B1, 제2센싱 와이어 W2, 단자 V2, 스위치 S31, 접지 단자 GND 및 폰 음극 단자 M-를 통하여 폐루푸가 형성된다. 이에 따라 배터리 셀 B1이 충전된다. 여기서, 상기 충전은 상기 배터리 셀 B1의 전압이 다른 배터리 셀 B2 및 B3에 비하여 대략 5~15mV의 차이가 날때까지 수행된다. 즉, 배터리 셀 B1, B2 및 B3 사이의 전압이 5~15mV 이상 차이가 나게 되면, 셀 밸런싱하는데 시간도 오래 걸리고 또한 배터리 셀 B1, B2 및 B3의 열화도 커질 수 있기 때문이다.
충전 제어부(121)로부터 하이 레벨의 제어 신호 S2가 출력되면, 스위치 S22 및 스위치 32이 턴온된다. 물론, 이때 제어 신호 S1 및 S3는 로우 레벨이다.
따라서, 폰 양극 단자 M+, 단자 VIN, 스위치 S22, 단자 V2, 제2센싱 와이어 W2, 배터리 셀 B2, 제3센싱 와이어 W3, 단자 V3, 스위치 S32, 접지 단자 GND 및 폰 음극 단자 M-를 통하여 폐루푸가 형성된다. 이에 따라 배터리 셀 B2가 충전된다. 여기서, 상기 충전은 상기 배터리 셀 B2의 전압이 다른 배터리 셀 B1 및 B3에 비하여 대략 5~15mV의 차이가 날때까지 수행된다.
충전 제어부(121)로부터 하이 레벨의 제어 신호 S3이 출력되면, 스위치 S23 및 스위치 스위치 33이 턴온된다. 물론, 이때 제어 신호 S1 및 S2는 로우 레벨이다.
따라서, 폰 양극 단자 M+, 단자 VIN, 스위치 S23, 단자 V3, 제3센싱 와이어 W3, 배터리 셀 B3, 제4센싱 와이어 W4, 단자 V4, 스위치 S33, 접지 단자 GND 및 폰 음극 단자 M-를 통하여 폐루푸가 형성된다. 이에 따라 배터리 셀 B3이 충전된다. 여기서, 상기 충전은 상기 배터리 셀 B3의 전압이 다른 배터리 셀 B1 및 B2에 비하여 대략 5~15mV의 차이가 날때까지 수행된다.
이와 같이 하여, 본 발명은 배터리 팩(100)의 전체 전압보다 작은 전압을 출력하는 모바일 폰 충전기를 이용하여, 배터리 팩(100) 내의 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각을 시간 분할하여 순차적으로 충전할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩 중에서 충전 제어부의 일례를 도시한 회로도 및 타이밍도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 충전 제어부(121)는 3개의 플립 플롭 FF1, FF2 및 FF3와, 3개의 엔드 게이트 A1, A2 및 A3를 포함한다.
각각의 플립 플롭 FF1, FF2 및 FF3은 S 단자, R 단자 및 Q 단자를 포함하며, 상기 Q 단자를 통하여 제어 신호 S1, S2 및 S3이 출력된다.
각각의 엔드 게이트 A1, A2 및 A3는 A 단자를 통하여 클럭 신호가 입력되고, B 단자는 플립 플롭의 Q 단자로부터 출력되는 신호가 입력된다.
엔드 게이트의 출력 단자는 플립 플롭의 R 단자에 연결된다. 더불어, 엔드 게이트의 출력 단자는 이웃하는 플립 플롭의 S 단자에 연결된다. 물론, 3번째 엔드 게이트 A3의 출력 단자는 1번째 플립 플롭 FF1의 S 단자에 연결된다.
도 3b에 도시된 바와 같이 클럭 신호는 일정한 주파수를 가지며 공급된다.
일례로 플롭 플롭 FF1이 Q 단자를 통하여 하이 레벨의 S1을 출력하고, 플립 플롭 FF2의 Q 단자 및 플립 플롭 FF3의 Q 단자를 통해서는 각각 로우 레벨의 S2 및 S3를 각각 출력한다고 가정한다.
이러한 상황에서, 플롭 플롭 FF1의 Q 단자를 통한 하이 레벨의 신호는 엔드 게이트 A1의 B 단자를 통해서도 입력된다. 더불어, 이때 엔드 게이트 A1, A2 및 A3의 A 단자에 하이 레벨의 클럭 신호가 입력된다.
플립 플롭 FF2 및 FF3의 Q 단자를 통해서는 로우 신호가 출력되고 있으므로, 엔드 게이트 A2 및 A3의 각 B 단자에는 로우 신호가 입력된다.
엔드 게이트 A1의 A 단자 및 B 단자를 통해 동시에 하이 레벨의 신호가 입력되면, 엔드 게이트 A1은 하이 레벨의 신호를 출력할 것이다. 이러한 하이 레벨의 신호는 플립 플롭 FF1의 R 단자 및 플립 플릅 FF2의 S 단자에 동시에 입력된다.
따라서, 플립 플롭 FF1은 Q 단자를 통하여 로우 레벨의 신호 S1을 출력하고, 플립 플롭 FF2는 Q 단자를 통하여 하이 레벨의 신호 S2를 출력한다.
그러면, 엔드 게이트 A2의 B 단자에 하이 레벨의 신호가 입력된다. 또한, 엔드 게이트 A1의 B 단자에는 로우 레벨의 신호가 입력된다.
이와 같이 하여, 충전 제어부(121)는 순차적으로 하이 레벨의 신호 S1, S2 및 S3을 출력한다. 따라서, 이러한 순차적인 하이 레벨의 신호 S1, S2 및 S3에 의해, 결국 스위치 S21, S31의 한쌍, 스위치 S22, S32의 한쌍, 스위치 S23, S33의 한쌍이 순차적으로 턴온된다. 또한, 상기 스위치 S21, S31, 스위치 S22, S32, 스위치 S23, S33의 순차적인 턴온에 의해, 배터리 셀 B1, B2 및 B3 B1, B2 및 B3가 순차적으로 충전된다.
이와 같이 순차적으로 하이 레벨의 신호 S1, S2 및 S3를 출력하는 충전 제어부(121)는 여기에 도시된 회로 외에도 다양하게 존재함을 이해하여야 하며, 이와 같이 순차적으로 하이 레벨 또는 로우 레벨의 신호를 출력하는 회로는 모두 본 발명의 범위에 있음을 이해하여야 한다.
여기서, 상기 하이 레벨의 신호 S1, S2 및 S3가 서로 중첩되지 않도록 하기 위해, 상기 엔드 게이트 A1의 출력 단자와 상기 플립플롭 FF2의 S 단자 사이, 상기 엔드 게이트 A2의 출력 단자와 상기 플립플롭 FF3의 S 단자 사이. 상기 엔드 게이트 A3의 출력 단자와 상기 플립플롭 FF1의 S 단자 사이에는 각각 시간 지연회로가 더 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩 중에서 밸런싱 회로의 일례를 도시한 회로도이다.
도 4에 도시되 바와 같이, 본 발명에 따른 밸런싱 회로(112)는 각 배터리 셀 B1, B2 및 B3마다 스위치 및 저항이 병렬로 연결된다. 물론, 스위치와 저항은 직렬로 연결된다. 예를 들면, 배터리 셀 B1에는 스위치 S41 및 저항 R41이 연결된다. 배터리 셀 B2에는 스위치 S42 및 저항 R42가 연결된다. 배터리 셀 B3에는 스위치 S43 및 저항 R43이 연결된다.
더불어, 상기 스위치 S41, S42 및 S43은 밸런싱 제어부(110)에 의해 턴온 또는 턴오프된다. 예를 들어, 배터리 셀 B1이 배터리 셀 B2 및 B3에 비해 상대적으로 높은 전압을 갖는 다고 가정한다. 더불어, 배터리 셀 B2 및 B3은 동일한 전압을 갖는다고 가정한다. 그러면, 밸런싱 제어부(110)는 스위치 S41을 턴온한다. 따라서, 배터리 셀 B1은 저항 R41을 통하여, 방전된다. 이러한 방전은 배터리 셀 B1의 전압이 배터리 셀 B2 및 B3의 전압과 같아질 때까지 계속된다.
여기서, 일례로 상기와 같은 셀 밸런싱은 배터리 셀 B1, B2 및 B3간 전압이 5~15mV 이상 차이가 날 경우 수행된다. 즉, 시간 분할 순차 충전시 예를 들면 선택된 배터리 셀 B1은 다른 배터리 셀 B2 및 B3들에 비하여 전압 차이가 5~15mV 정도 날때까지 수행되므로, 배터리 셀 B1의 전압이 5~15mV 정도 차이가 날 때 셀 밸런싱을 수행하게 되면, 상기 시분할 순차 충전과 상충될 수 있기 때문이다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 밸런싱 회로(112)에 의해 모든 배터리 셀 B1, B2 및 B3의 전압이 거의 유사하게 유지된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 회로도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(200)은 승압 회로(220)를 포함한다.
상기 승압 회로(220)는 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-를 포함한다. 여기서, 상기 폰 양극 단자 M+는 팩 양극 단자 P+와 분리되어 형성되지만, 폰 음극 단자 M-는 팩 음극 단자 P-와 함께 형성될 수 있다. 또한, 승압 회로(220)에 의해 승압된 충전 전압은 팩 양극 단자 P+에 공급된다. 따라서, 승압 회로(220)에 의해 승압된 충전 전압은 충전 스위치 CFET 및 방전 스위치 DFET를 통하여 배터리 셀 B1, B2 및 B3에 일괄적으로 공급된다. 따라서, 상기 충전 스위치 CFET에 의해 배터리 셀 B1, B2 및 B3의 과충전이 방지될 수 있다. 더불어, 폰 음극 단자 M-는 팩 음극 단자 P-에 함께 형성됨으로써, 충전 전류가 전류 센스 저항 R에 의해 감지된다.
여기서, 당연히 상기 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-를 통해서는 2.5~4.25V의 충전 전압을 제공하는 모바일 폰 충전기가 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-를 통해서는 배터리 팩(200)의 전체 전압(예를 들면 9V)보다 작은 충전 전압(예를 들면 3V)이 제공된다.
한편, 상기 제어부(110)는 상기 배터리 팩(200)의 전압보다 작은 충전 전압이 상기 배터리 팩(200)에 공급될 경우, 상기 승압 회로(220)에 제어신호(enable)를 출력하여, 상기 승압 회로(220)가 동작하도록 한다. 즉, 상술한 바와 같이 모바일 폰 충전기를 통하여 공급되는 충전 전압은 배터리 팩(200)의 전압보다 작으므로, 이 경우 제어부(110)는 승압 회로(220)에 제어신호를 출력함으로써, 상기 승압 회로(220)가 모바일 폰 충전기로부터 공급되는 충전 전압을 승압하도록 한다.
물론, 상기 제어부(110)는 상기 배터리 팩(200)의 전압보다 큰 충전 전압이 상기 배터리 팩(200)에 공급될 경우, 상기 승압 회로(220)에 제어신호를 출력하지 않아, 상기 승압 회로(220)가 동작하지 않도록 한다. 즉, 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-를 통한 전용 충전기로부터 공급되는 충전 전압은 당연히 배터리 팩(200)의 전압보다 크므로, 이 경우 제어부(110)는 승압 회로(220)를 동작시키지 않는다.
이와 같이 하여, 본 발명은 배터리 팩(200)의 전압보다 작은 충전 전압을 제공하는 모바일 폰 충전기를 이용하여 배터리 팩(200)을 충전할 수 있게 된다.
도 6a는 휴대형 컴퓨터와 전용 충전기의 연결 관계를 도시한 도면이고, 도 6b는 휴대형 컴퓨터의 배터리 팩과 모바일 폰 충전기의 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100,200)이 휴대형 컴퓨터에 결합된 상태에서는, 전원 입력 단자(301)를 통하여 충전된다. 물론, 전원 입력 단자는 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-에 연결된다. 상기 전원 입력 단자(301)에 예를 들면 대략 9.0~12.6V의 충전 전압을 제공하는 전용 충전기가 연결되며, 이러한 전용 충전기에 의해 배터리 팩(100,200)이 충전된다. 여기서, 배터리 팩(100,200)에는 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-가 형성되며, 이는 휴대형 컴퓨터의 외부로 노출되지 않는다. 즉, 전용 충전기 및 모바일 폰 충전기에 의한 동시 충전을 방지하기 위해, 배터리 팩(100,200)이 휴대형 컴퓨터에 결합된 상태에서는 모바일 폰 충전기가 배터리 팩(100,200)에 결합되지 않도록 되어 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100,200)을 휴대형 컴퓨터로부터 분리한 경우에는 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-가 외부로 노출됨으로써, 배터리 팩(100,200)에 모바일 폰 충전기가 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 모바일 폰 충전기는 대략 2.5~4.25V의 충전 전압을 제공하므로, 상술한 바와 같이 배터리 셀 B1, B2 및 B3을 시간 분할하여 순차 충전하거나, 또는 승압하여 충전한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 도시한 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 충전 전압과 배터리 팩 전압 비교 단계(S110), 충전 경로 형성 단계(S120) 및 개별 배터리 셀의 순차 충전 단계(S130)를 포함한다. 실질적으로, 이러한 방법은 도 1에 도시된 배터리 팩(100)에서 구현된다.
상기 충전 전압과 배터리 팩 전압 비교 단계(S110)에는 입력되는 충전 전압과 배터리 팩(100)의 전압을 비교한다.
만약, 모바일 폰 충전기가 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-에 연결되었다면, 입력되는 충전 전압이 배터리 팩(100)의 전압보다 작을 것이다.
만약, 전용 충전기가 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-에 연결되었다면, 입력되는 충전 전압이 배터리 팩(100)의 전압보다 클 것이다.
상기 충전 경로 형성 단계(S120)는 상기 충전 전압과 배터리 팩 전압 비교 단계(S110)에서 입력되는 충전 전압이 배터리 팩(100)의 전압보다 작을 경우 수행된다. 즉, 제어부(110)는 충전 스위치 MCFET를 턴온시킴으로써, 폰 양극 단자 M+를 통하여 충전 전압이 충전 회로(120)에 공급되도록 한다. 즉, 제어부(110)는 모바일 폰 충전기로부터의 충전 전압이 충전 회로(120)에 공급되도록 한다.
상기 개별 배터리 셀의 순차 충전 단계(S130)에서는 충전 회로(120)가 시간을 분할하여 순차적으로 배터리 셀 B1, B2 및 B3 각각을 충전한다. 예를 들면, 배터리 셀 B1을 충전하고, 이어서 배터리 셀 B2를 충전하며, 마지막으로 배터리 셀 B3를 충전한다. 물론, 이러한 동작은 모든 배터리 셀 B1, B2 및 B3이 만충전되거나, 적어도 모든 배터리 셀 B1, B2 및 B3의 용량이 80%가 될 때까지 수행된다.
물론, 배터리 셀 B1, B2 및 B3중 어느 하나라도 과충전 상태로 판단되면, 제어부(110)는 충전 스위치 MCFET를 턴오프함으로써, 배터리 셀 B1, B2 및 B3의 과충전이 방지되도록 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 도시한 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 충전 전압과 배터리 팩 전압 비교 단계(S210), 승압 경로 형성 단계(S220) 및 전체 배터리 셀의 일괄 충전 단계(S230)를 포함한다. 실질적으로, 이러한 방법은 도 5에 도시된 배터리 팩(200)에서 구현된다.
상기 충전 전압과 배터리 팩 전압 비교 단계(S210)에는 입력되는 충전 전압과 배터리 팩(200)의 전압을 비교한다.
만약, 모바일 폰 충전기가 폰 양극 단자 M+ 및 폰 음극 단자 M-에 연결되었다면, 입력되는 충전 전압이 배터리 팩(200)의 전압보다 작을 것이다.
만약, 전용 충전기가 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-에 연결되었다면, 입력되는 충전 전압이 배터리 팩(200)의 전압보다 클 것이다.
상기 승압 경로 형성 단계(S220)는 상기 충전 전압과 배터리 팩 전압 비교 단계(S210)에서 입력되는 충전 전압이 배터리 팩(200)의 전압보다 작을 경우 수행된다. 즉, 제어부(110)는 승압 회로(220)에 제어신호(enable)를 출력함으로써, 승압 회로(220)가 동작하도록 한다.
상기 전체 배터리 셀의 일괄 충전 단계(S230)에서는 승압 회로(220)에 의해 승압된 충전 전압이 직렬로 연결된 배터리 셀 B1, B2 및 B3에 일괄적으로 공급되도록 한다. 물론, 이러한 승압된 충전 전압은 상기 배터리 팩(200)의 전압보다 높은 전압을 갖는다. 따라서, 상기 승압 회로(220)에 의해 배터리 팩(200)은 정상 충전된다.
물론, 배터리 셀 B1, B2 및 B3중 어느 하나라도 과충전 상태로 판단되면, 제어부(110)는 충전 스위치 CFET를 턴오프함으로써, 배터리 셀 B1, B2 및 B3의 과충전이 방지되도록 한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 팩을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100,200; 배터리 팩 B1,B2,B3; 배터리 셀
110; 제어부 111; 제어 회로
112; 전압감지 및 밸런싱 회로 120; 충전 회로
121; 충전 제어부 MCFET,CFET; 충전 스위치
DFET; 방전 스위치 P+; 팩 양극 단자
P-; 팩 음극 단자 M+; 폰 양극 단자
M-; 폰 음극 단자 R; 전류 센스 저항
W1,W2,W3,W4; 센싱 와이어

Claims (19)

  1. 직렬 연결된 다수의 배터리 셀;
    상기 다수의 배터리 셀에 전기적으로 연결되어, 상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고, 배터리 셀 각각의 전압이 동일해지도록 셀 밸런싱하는 제어부; 및,
    상기 배터리 셀 각각에 전기적으로 연결되고, 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 배터리 셀 각각에 시간 분할하여 순차적으로 충전 전압을 제공하는 충전 회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압을 상기 배터리 셀 각각에 제공함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로는 상기 배터리 셀 각각에 2.5~4.25V의 충전 전압을 제공함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로에는 모바일 폰 충전기가 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로는 현재 충전중인 배터리 셀의 전압이 현재 충전중이 아닌 다른 배터리 셀의 전압에 비해 5~15mV보다 크면 충전을 정지함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 모바일 폰 충전기와 상기 충전 회로의 사이에는 상기 제어부에 의해 턴온 또는 턴오프되는 충전 스위치가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압이 상기 배터리 팩에 제공될 경우, 상기 충전 스위치를 턴온함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 큰 충전 전압이 상기 배터리 팩에 제공될 경우 상기 충전 스위치를 턴오프함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부와 상기 다수의 배터리 셀 사이에는, 상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하기 위한 센싱 와이어가 연결되고,
    상기 충전 회로는 상기 센싱 와이어를 통하여 배터리 셀의 각각에 충전 전압을 제공함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로는
    모바일 폰 충전기의 양극 단자와 선택된 배터리 셀의 양극을 전기적으로 연결하는 양극 스위치;
    상기 모바일 폰 충전기의 음극 단자와 상기 선택된 배터리 셀의 음극을 전기적으로 연결하는 음극 스위치; 및,
    상기 양극 스위치 및 상기 음극 스위치를 동시에 턴온 또는 동시에 턴오프하는 충전 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 충전 제어부는 배터리 셀 각각에 대응되어 설치된 양극 스위치 및 음극 스위치를 시간 분할하여 순차적으로 턴온함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 직렬 연결된 다수의 배터리 셀;
    상기 다수의 배터리 셀에 전기적으로 연결되어, 상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고, 배터리 셀 각각의 전압이 동일해지도록 셀 밸런싱하는 제어부; 및,
    상기 배터리 셀에 전기적으로 연결되고, 상기 제어부의 제어신호에 의해 충전 전압을 승압하여 상기 배터리 셀에 공급하는 승압 회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 승압 회로에는 모바일 폰 충전기가 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 승압 회로에는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압이 입력됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 승압 회로에는 2.5~4.25V의 충전 전압이 입력됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 작은 충전 전압이 상기 배터리 팩에 공급될 경우, 상기 승압 회로가 동작하도록 하는 제어신호를 출력함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 팩의 전압보다 큰 충전 전압이 상기 배터리 팩에 제공될 경우, 상기 승압 회로가 동작하지 않도록 제어신호를 출력하지 않음을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀중 최고 전위를 갖는 배터리 셀의 양극 단자에는 팩 양극 단자가 연결되고,
    상기 승압 회로의 출력 전압은 상기 팩 양극 단자에 공급됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀중 최저 전위를 갖는 배터리 셀의 음극 단자에는 팩 음극 단자가 연결되고,
    상기 승압 회로의 그라운드 전압은 상기 팩 음극 단자에 제공됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
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