KR20150088239A - 배터리 충전 관리 회로 - Google Patents

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KR20150088239A
KR20150088239A KR1020157009493A KR20157009493A KR20150088239A KR 20150088239 A KR20150088239 A KR 20150088239A KR 1020157009493 A KR1020157009493 A KR 1020157009493A KR 20157009493 A KR20157009493 A KR 20157009493A KR 20150088239 A KR20150088239 A KR 20150088239A
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줄리엔 다시
다니엘 샤트루
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 배터리(300)의 충전 관리를 위한 회로(302)에 관한 것으로, 단자에서의 전압이 한계치를 초과할 때 열을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 발열체(303i)를 포함한다.

Description

배터리 충전 관리 회로{CIRCUIT FOR MANAGING THE CHARGE OF A BATTERY}
본 발명은 전기 배터리에 관한 것이고 상세하게는 배터리에서의 충전 관리를 목적으로 한다. 보다 상세하게는 다수의 기본 셀로 구성된 배터리에서 셀들간의 충전 균형과, 충전 중단 기능을 구현할 수 있는 충전 관리 회로에 관한 것이다.
전기 배터리는 다수의 기본 셀들의 그룹(축전지 등)으로, 이 기본 셀들이 직류 전압을 출력하기 위해 각각이 양극 또는 음극인 두 개의 노드 또는 터미널 사이에서 직렬 또는 병렬로 연결된 구조를 가진다. 배터리 방전 단계에는, 전원이 공급될 부하를 거쳐 배터리의 양극에서 음극으로 전류가 흐른다. 반면, 배터리 충전 단계에는, 배터리의 음극을 거쳐 양극으로 흐르는 충전 전류가 충전기에 의해 인가되며, 이러한 전류가 배터리의 각 셀들을 거치는 과정을 통해 배터리가 충전된다. 배터리는 일반적으로 충전 관리 회로와 연관되는데, 이러한 충전 관리 회로는 재충전 동안 배터리에 손상을 줄 수 있는 과충전을 피하기 위해 충전의 종료를 인지하고 바로 충전을 중단하기 위해 구성된다. 또한, 충전 관리 회로는 재충전 동안 배터리 셀들간에 충전 레벨의 균형을 맞출 수 있다. 그러나 어떤 배터리에 있어서는, 충전 관리 회로가 다소 복잡하고, 이는 배터리의 가격이나 무게, 또는 크기에 상당한 영향을 준다.
따라서, 본 발명의 목적은, 활성화 전압을 넘어서는 열을 소멸시킴으로써 자신을 흐르는 전압을 클램핑 할 수 있고, 각각이 배터리의 하나 이상의 셀들로 된 서로 다른 서브 조립품과 연결되는 복수의 발열체들; 상기 하나 이상의 발열체의 활성화를 인지할 수 있는 적어도 하나의 온도 센서; 및 상기 온도 센서가 발열체의 활성화를 인지함에 따라 상기 배터리의 충전 전류를 제어할 수 있는 제어 회로를 포함하는, 기본 셀들로 이루어진 배터리의 충전을 관리하기 위한 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열체 각각의 활성화 전압은 발열체와 연결된 셀들로 된 서브 조립품의 공칭 최대 충전 전압(nominal full charge voltage)에 따라 정해진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열체 각각의 활성화 전압은 발열체와 연결된 셀들로 된 서브 조립품의 공칭 최대 충전 전압 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열체 각각의 활성화 전압은 발열체와 연결된 셀들로 된 서브 조립품의 공칭 최대 충전 전압 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열체 각각은 제너 다이오드를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열체 각각은 프로그램 가능한 활성화 전압을 가지는 집적 클램핑 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서브 조립품 각각은 하나의 셀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서브 조립품 각각은 적어도 두 개의 셀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전 관리 회로는 복수의 온도 센서를 포함하고, 상기 복수의 온도 센서 각각은 서로 다른 발열체와 열적 결합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어 회로는 발열체의 활성화가 인지되었을 때 충전 전류를 수정하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전 전류의 수정은 충전 전류의 완전한 중단이 아닌 충전 전류를 감소시키는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전 전류의 수정은 충전 전류를 중단하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어 회로는 온도 센서 각각이 발열체의 활성화를 인지하였을 때 충전 전류를 중단하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예는 기본 셀들로 이루어진 배터리와 상술한 형태의 충전관리 회로를 포함하는 조립품을 제공한다.
앞서 전술된 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련된 구체적인 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 도면은 아래와 같다:
도 1은 배터리와 배터리 충전 관리를 위한 회로의 일례를 포함하는 조립품의 일례를 나타내는 전기회로도이다.
도 2는 배터리와 배터리 충전 관리를 위한 회로의 또 다른 예를 포함하는 조립품의 일례를 나타내는 전기회로도이다.
도 3은 배터리와 배터리 충전 관리를 위한 회로의 일례를 포함하는 조립품의 일례를 나타내는 전기회로도이다.
도 4는 배터리와 배터리 충전 관리를 위한 회로의 대안적인 실시예를 포함하는 조립품을 나타내는 전기회로도이다.
도 5는 도 3의 조립품의 전기회로도의 일부로써, 충전 관리 회로의 구성 요소의 실시예를 좀 더 상세하게 보여주기 위한 도면이다.
도 6은 도 4의 조립품의 전기회로도 일부로써, 충전 관리 회로의 구성 요소의 실시예를 좀 더 상세하게 보여주기 위한 도면이다.
도 7은, 도 3 내지 도 6과 관련하여 기술된 형태의 충전 관리 회로 동작의 예를 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 8은 배터리와 배터리 충전 관리를 위한 회로의 또 다른 대안적인 실시예를 포함하는 조립품의일례를 나타내는 전기회로도이다.
명료성을 위하여, 도면에 걸쳐 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호가 사용되었으며, 설명되는 실시예의 이해에 필요한 요소들만이 설명되었다.
도 1은 직류 전압을 출력하기 위해 4개의 기본 셀(101i, i는 1과 4사이의 정수)이 V+ 단자와 V- 단자 사이에서 직렬로 연결되어 있는 배터리(104)를 포함하는 조립품(100)의 일례를 보여주는 전기회로도다. 여기서, 셀(101i)들은 니켈 카드뮴(NiCd) 셀들이거나 니켈 금속 수소(NiMH) 셀들이다. 이러한 셀들은, 충전 전류가 공칭 최대 충전 레벨에 도달한 후, 다시 말해, 셀들을 흐르는 전압이 주어진 전압 레벨이나 공칭 최대 충전 레벨에 도달한 후에, 충전 전류가 흐를 때 기생 화학 반응의 영향으로 열을 발생시킨다. 충전된 셀은 적어도 어느 시간 동안은 손상 없이 충전 전류를 받아들이며, 이 때, 셀을 흐르는 전압은 셀에 손상을 일으키지 않고 공칭 최대 충전 전압 이상으로 계속 증가한다. 충전 전류가 중단되면, 셀을 흐르는 전압은 다시 감소되고 셀의 공칭 최대 충전 전압에서 안정화된다. 초과된 전력은 기생 화학 반응에서 소멸된다. 그러한 셀들을 흐르는 전압은 주어진 임계값이나 셀이 견뎌낼 수 있는 최대 전압을 초과해서는 안되며, 초과할 경우, 셀의 성능이 떨어지게 된다.
조립품(100)은, 배터리(104)와 연결되며 충전의 종료를 인지하고 배터리에 손상을 일으킬 수 있는 과충전 이전에 충전 전류를 중단하도록 구성된 충전 관리 회로(102)를 더 포함한다. 회로(102)는 조립품(100) 안에서 셀(101i)들과 가까이 위치하는 온도 센서(103)와, 센서(103)에 의해 측정된 온도에 따라 충전 전류를 제어하도록 구성된 제어 회로(105)를 포함한다. 충전의 종료에 가까워지면서 최대로 충전된 셀들이 자신의 공칭 최대 충전 레벨을 초과할 때, 센서(103)는 셀 내의 기생 화학 반응으로 인한 조립품(100) 내부의 온도 상승을 감지하게 된다. 한 예로써, 첫 번째 단계에서는 충전 전류의 중단 없이, 덜 충전된 셀들의 충전이 계속된다. 예컨대, 조립품 내에서 센서(103)에 의해 측정된 온도 상승이 한계치를 초과하였을 때 배터리가 충분히 충전되었다고 할 수 있다. 여기서, 한계치는 모든 배터리 셀 또는 배터리의 다수의 셀에서의 기생 화학 반응 활성화에 부합한다. 이후, 회로(105)는 충전 전류를 중단한다. 따라서, 충전 관리 회로(102)는 배터리 충전 중단 기능뿐 아니라 배터리 셀간의 충전 기능을 구현하게 된다.
도 1의 충전 관리 회로(102)는 구성이 간단하고, 가볍고, 작다는 장점이 있다. 더욱이, 이런 형태의 관리 회로들은 이미 기존의 많은 니켈 카드뮴 배터리나 니켈 금속 수소 배터리에 제공되어 왔으며, 개발비용의 분할 상환으로 가격이 인하되었다.
그러나, 회로(102)는 충전의 종료가 셀 온도의 상당한 상승을 가져오는 셀에서만 호환 가능하며, 모든 셀이 그러한 것은 아니다. 특히, 리튬 이온 셀의 경우, 충전의 종료 시점에, 셀을 흐르는 전압은 열 발생 없이 셀의 공칭 최대 충전 전압 이상으로 계속 증가하여 셀 손상의 위험을 넘어서는 임계 수준에 이를 수 있다. 따라서 도 1의 회로보다 더 복잡하고 더 많은 비용을 요구하는 충전 관리 회로가 제공되어야 한다.
도 2는 조립품(200)의 또 다른 예를 도시한 전기회로도로, 조립품(200)은 4개의 기본 셀(201i, i는 1과 4사이의 정수)이 직류 전압 출력 단자 V+ 와 V- 사이에서 직렬 연결되어 있는 배터리(204)를 포함한다. 이 예에서, 셀(201i)들은 리튬 이온 셀과 같이 충전의 종료 시점에 많은 열을 발생시키지 않는 셀들이다. 조립품(200)은, 충전의 종료를 인지하고 배터리에 손상을 일으킬 수 있는 과충전 단계 이전에 충전을 중단하도록 구성된 충전 관리 회로(202)를 더 포함한다. 회로(202)는 배터리 셀들 각각과 연결된 입력을 가지며, 각 셀들을 흐르는 전압을 감시하고, 셀이 임계 과충전 전압 레벨에 이르기 전에 충전을 중단하도록 구성된다. 예컨대, 회로(202)는 차등 측정 회로, 비교기 등을 포함한다. 회로(202)는 셀들간에 충전 속도의 차이를 인지했을 때, 우회가지(bypass braches)를 통해 충전 균형을 더 구현할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 2와 관련되어 기술된 형태의 충전 관리 회로는 어떤 셀 공정이 사용되는가와 관계없이 구성될 수 있다. 그러나 이러한 형태의 회로는 도 1과 관련하여 기술된 형태의 관리 회로보다 더 복잡하고, 크고, 가격이 비싸다는 단점이 있다.
도 3은 배터리(304)와 충전 관리 회로(302)의 일 실시예를 포함하는 조립품(300)의 일례를 나타내는 전기회로도이다. 이 예에서, 배터리(304)는 직류 전압 출력 단자 V+ 와 V- 사이에서 직렬 연결된 4개의 기본 셀들(301i, i는 1과 4사이의 정수)을 포함한다. 셀(301i)들은 어떠한 기술 형태의 셀도 가능하다. 한 예로써, 셀(301i)들은, 충전의 종료 시점에 자신의 공칭 최대 충전 레벨에 도달한 후 충전 전류가 인가되면 셀에 두드러지게 열을 발생시키지 않으면서 셀을 흐르는 전압은 공칭 최대 충전 레벨 이상으로 올라가는 셀들로, 예컨대, 리튬 이온 셀들일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 충전 관리 회로(302)는, 배터리의 셀들(301i) 각각과 관련되며, 전압이 전압 한계치나 활성화 전압을 초과하여 흐를 때 열을 발생시키도록 구성된 발열체들(303i)을 포함한다. 발열체들(303i)의 활성화 전압은 예컨대 배터리 셀들의 공칭 최대 충전 전압과 같을 수 있다. 다르게는, 셀이 손상 없이, 공칭 최대 충전 전압을 넘어서는 약간의 과충전을 견뎌낼 수 있다면, 활성화 한계치는 공칭 최대 충전 전압과, 셀들의 임계 과충전 전압, 다시 말해, 셀이 손상 없이 견뎌 낼 수 있는 최대 전압, 사이의 값일 수 있다. 또 다르게는, 셀들이 자신의 공칭 최대 충전 전압을 넘어서는 과충전을 견딜 수 없다면, 발열체의 활성화 한계치는 셀들의 공칭 최대 충전 전압보다 작을 수도 있으며, 예를 들어, 셀들의 공칭 최대 충전의 80~95% 사이의 범위에 있을 수 있다.
회로(302)는 조립품 내부에 위치하는 온도 센서(103)와, 센서(103)에 의해 측정된 온도에 따라 배터리의 충전 전류를 제어할 수 있는 제어 회로(105)를 더 포함한다. 예컨대, 센서(103)는 부온도계수를 가지는 서미스터 센서일 수 있지만, 다른 형태의 온도 센서도 사용 가능하다.
배터리 충전 단계의 종료에 가까워지면서, 최대로 충전된 셀(들)(301i)이 자신과 관련된 발열체(303i)의 활성화 레벨에 도달하였을 때, 해당 발열체(들)(303i)은 열을 발생시키기 시작하고, 센서(103)는 조립품 내부의 온도 상승을 인지한다. 도시하지 않았지만, 회로(302)는 하나 이상의 발열체의 활성화로 인한 온도 상승을, 예컨대 대기 온도의 상승과 같은 다른 현상에 의한 온도 상승과 구별할 수 있는 부가적인 수단을 포함할 수 있다. 센서(103)와 구별되는 대기 온도 센서 및/또는 센서(103)에 의해 측정된 온도 변화 기울기를 분석할 수 있는 장치와 같은 것들이 이런 부가적인 수단에 포함될 수 있다.
한 예로써, 센서(103)가 하나 이상의 발열체의 활성화로 인한 온도 상승을 인지하였을 때, 첫 번째 단계에서의 충전 전류는 그대로 유지된다. 그 후, 덜 충전된 셀들은 자신과 관련된 발열체의 활성화 한계치에 도달할 때까지 계속 충전된다. 조립품 내에서 센서(103)에 의해 측정된 온도 상승이 한계치를 초과하면 배터리는 충분히 충전된 것으로 간주될 수 있다. 여기서, 한계치는 모든 배터리 셀 또는 다수의 셀의 발열체 활성화에 부합될 수 있다. 그에 따라, 제어 회로(105)는 충전 전류를 중단할 수 있고, 충전 관리 회로(302)는 배터리 충전 중단 기능뿐 아니라, 배터리 셀간의 균형도 구현할 수 있게 된다.
충전 관리 회로(302)는 특히 구성이 쉽다는 장점을 가진다. 한 예로써, 온도 센서(103)와 회로(302)와 관련된 제어 회로(105)를 구성하기 위해, 니켈 카드뮴 배터리나 또는 니켈 수소 배터리에 이미 있는 도 1의 충전 관리 회로가 변경 없이 그대로 사용될 수 있다. 다시 말해, 도 3의 조립품(300)을 구성하기 위해서 배터리 셀들 각각에 발열체(303i)를 병렬로 연결하기만 하면 된다. 이는, 셀들을 가로지르는 발열체들을 제공함으로써, 어떤 셀 기술에서는 (예를 들어, NiCd 이나 NiMH) 충전 종료 시점에서 자연스럽게 발생되는 발열 현상을 인위적으로 재현해낼 수 있다는 것이다. 이는 셀이 충전 종료 시점에 (화학 반응에 의해) 자연스럽게 열을 발생시키지 않는 공정에 있어서도, 기존의 충전 관리 회로를 재사용할 수 있게 한다.
충전 관리 회로(302)는 특히 인산철 (LiFePO4) 기반의 리튬 이온 셀을 이용한 배터리에 적합하다. 확실히 이러한 형태의 셀에서는, 셀의 공칭 최대 충전 전압과 셀의 임계 전압 사이, 또는 셀의 공칭 최대 충전 전압과 셀이 손상 없이 견딜 수 있는 최대 전압 사이에 비교적 큰 전압 범위가 존재하며, 이는 활성화 한계치의 선택에 있어서 약간의 유연성을 제공한다. 가급적이면, 이 범위 안에 속하는 활성화 한계치를 가지는 발열체(303i)의 공급이 선호된다. 예를 들면, A123 SYSTEMS는 3.6V의 공칭 최대 충전 전압을 가지고, 4.2V의 과전압, 또는 4.5V (임계 셀 전압)까지의 과전압을 손상의 위험 없이 견딜 수 있는, 인산철 기반의 리튬 이온 셀을 상품화하였다. 배터리 내에서 조립되고 대체적으로 동일한 전류가 흐를 때, 그러한 셀들은 비교적 균형 잡힌 방식으로 (다시 말해, 대체로 동일한 속도로) 충전된다는 장점을 가진다. 발명자는 설명된 실시예가 그러한 셀들에서 잘 동작하는 것을 확인하였다.
도3에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 발열체들(303i)의 발열을 감지하는데 걸리는 시간을 최소화하기 위해 발열체들(303i)은 온도 센서(103)와 가깝게 위치한다. 발열체들(303i)과 센서(103)간의 열적 결합(thermal coupling)을 더욱 향상시키기 위해, 열접점 윤활유, 열전도성 접착 수지 안에 발열체(303i)와 센서(103)를 캡슐화하는 것, 또는 다른 적절한 열적 결합 방법이 사용될 수 있다.
계획하는 사용 형태에 따라, 특히 과충전을 견디기 위해 사용되는 셀의 형태와 셀의 캐퍼시티에 따라, 회로(105)는 다양한 충전 제어 모드들을 제공할 수 있다. 한 예로써, 첫 번째 제어 모드에서는, 회로(105)가 발열체들(303i) 중 하나의 활성화를 인지하자마자 충전 전류를 중단하도록 구성된다. 두 번째 실시예에서는, 발열체들(303i) 중 하나의 활성화를 인지하였을 때, 회로(105)가 충전 전류를 중단하지 않고 줄이며, 전체적으로 충전 전류를 중단하기 전 어느 시간 동안 충전 전류를 줄어든 레벨에서 유지한다. 세 번째 제어 모드에서는, 회로(105)가 센서(103)에 의해 인지된 온도 상승이 제1 한계치를 넘어섰을 때 충전 전류를 중단 없이 줄이고, 센서(103)에 의해 인지되는 온도 상승이 제1 한계치와 그보다 큰 제2 한계치의 사이에 있을 때는 줄어든 충전 전류를 그대로 유지하며, 센서(103)에 의해 인지된 온도 상승이 제2 한계치를 넘어설 때 충전전류를 중단시킨다. 그러므로, 회로(302)는 셀들이 모두 동일한 속도로 충전되는 것은 아닌 경우에 있어서 적어도 부분적으로는 셀 충전 레벨의 균형을 맞출 수 있다는 장점을 지닌다.
도 4는 도 3의 배터리(304)와 충전 관리 회로(402)의 대안적인 실시예를 포함하는 조립품(400)의 한 예를 보여주는 전기회로도이다. 도 3의 예에서와 같이, 충전 관리 회로(402)는 조립품 내에 위치한 온도 센서(103)와, 센서(103)와 연결되고 센서(103)에 의해 측정된 온도에 따라 배터리 충전 전류를 제어할 수 있는 제어 회로(105)를 포함한다.
도 3의 회로에서는 하나의 셀 당 하나의 발열체가 연관되는 데 반해, 도 4의 충전 관리 회로(402)는 회로 안에 하나의 동일한 발열체가 다수의 셀들(301i)과 연관 지어진다는 점에서 도 3의 회로(302)와는 다르다. 보여지는 예에서, 회로(402)는 두 개의 발열체들(403j, j는 1과 2사이의 정수)을 포함한다. 발열체(4031)는 직렬로 연결되어있는 셀들(3011, 3012)과 병렬로 연결되고, 또 다른 발열체(4032)는 또 다른 셀들(3013, 3014)의 직렬 연결에 병렬로 연결된다. 발열체들(403j) 각각은 발열체를 흐르는 전압이 활성화 한계치나 활성화 전압을 초과할 때, 예컨대, 셀의 공칭 최대 충전전압의 두 배가 될 때, 열을 발생시키도록 구성된다. 다르게는, 셀이 공칭 최대 충전 전압을 넘어서는 얼마의 과충전을 손상 없이 견딜 수 있다면, 활성화 한계치는 공칭 최대 충전 전압의 두 배와 셀의 임계 과충전 전압의 두 배 사이의 값일 수 있다. 또 다르게는, 셀이 공칭 최대 충전 전압을 넘어서는 과충전을 견딜 수 없다면, 발열체의 활성화 한계치는 셀의 공칭 최대 충전 전압의 두 배보다 작을 수 있다.
도 4의 실시예의 장점은, 배터리 내 주어진 개수의 기본 셀에 대해, 도 3의 실시예에서 보다 작은 수의 발열체가 요구된다는 것이다. 더구나, 도 4의 실시예에서는 발열체가 도 3의 실시예에서보다 높은 전압 레벨에 대해 활성화되어 구성하기가 쉽다. 도 4의 실시예는 특히, 이웃하는 셀들이 비교적 동일한 속도로 충전될 수 있는, 원래 좋은 균형 레벨을 가지는 셀들을 사용하는 배터리에 적합하다.
도 5는 설명된 실시예와 호환되는 발열체의 실시예를 좀 더 구체적으로 보여주는 부분적인 전기회로도이다. 도 5에는, 하나의 기본 셀(3012)과, 이 셀을 가로질러 연결된 하나의 발열체(3032)만이 있고, 발열체(3032)는, 애노드와 캐소드가 각각 셀(3012)의 저전위 단말과 고전위 단말에 연결된 제너 다이오드(5012)를 포함한다. 제너 다이오드의 파괴 전압(breakdown voltage)은 발열체의 활성화 한계치를 결정한다. 배터리를 흐르는 전압이 제너 다이오드의 파괴 전압을 초과했을 때, 과전압은 제너 다이오드에 의해 클램프되고, 초과 전력은 제너 다이오드에 의해 열의 형태로 소멸된다.
다르게는, 제너 다이오드(5012)는 제너 다이오드처럼 클램핑 기능과 열 형태로 전력을 소멸시키는 기능을 수행하지만, 프로그램 가능한 턴온(turn-on) 한계치를 가지는 회로로 대체될 수 있다, 일례로써, TL431이라는 이름으로 판매되는 집적회로는 프로그램 가능한 활성화 한계치를 가지고 상술한 기능들을 수행할 수 있다. 그러한 프로그램 가능한 회로가 사용될 때, 발열체(3032)는 바이어스 저항기들 및/또는 프로그램 가능한 회로를 보호하기 위한 직렬 저항기를 더 포함한다.
프로그램 가능한 회로의 사용은 특히 발열체의 목표 활성화 한계치가 낮은 경우, 예를 들어 5~10V 보다 낮은 경우에 유리하다. 실제로, 낮은 파괴 전압을 가지는 제너 다이오드는 비교적 제작하기 힘들고, 오프상태에서 무시할 수 없을 정도의 누설이 있다.
도 6은 도 5의 대안적인 실시예를 보여주는데, 이 경우, 도 4의 예와 같이 하나의 동일한 발열체가 다수의 배터리 셀과 연관 된다. 도 6에서는 두 개의 직렬 연결된 기본 셀(3011, 3012)과 이 두 셀의 직렬 연결을 가로질러 연결된 하나의 발열체(4031)가 있다. 발열체(4031)는, 애노드와 캐소드가 각각 셀(3012)의 저전위 단말과 고전위 단말(3011)에 연결된 제너 다이오드(6011)를 포함한다. 도 5의 예에서처럼, 제너 다이오드(6011)는 제너 다이오드와 같은 기능을 수행하는 회로로 대체될 수 있다.
발열체의 목표 활성화 한계치가 높은 경우에는, 예를 들어, 도 4와 도 6의 예에서처럼 동일한 하나의 발열체가 다수의 배터리 셀과 연관될 때, 발열체를 구성하기 위한 제너 다이오드의 사용은 특히 유리하다. 확실히, 고전압 제너 다이오드의 응답곡선 변곡점은 저전압 제너 다이오드와 비교할 때 두드러지며, 고전압 제너 다이오드의 오프 상태 누설은 무시할 만 하다. 더구나, 높은 활성화 한계치를 위해 제너 다이오드를 사용하는 경우가 제너 다이오드와 같은 기능을 수행하는 프로그램 가능한 회로를 사용할 때 보다 비용이 덜 들게 된다.
더 일반적으로는, 서술된 실시예에서, 발열체는 제너 다이오드에 상응하는 어느 요소일 수 있다. 다시 말해 두 개의 통전 단자(conduction terminal)를 가지며, 주어진 전압 한계치나 활성화 전압을 넘어서는 열을 소멸시킴으로써 두 개의 통전 단자 사이의 전압을 클램핑 할 수 있는 요소일 수 있다. 여기서, 활성화 전압은 발열체가 연결되는 셀들로 구성된 서브 조립품의 공칭 최대 충전 전압에 따라 선택될 수 있다.
도 7은 도 3 내지 도 6에 관련하여 서술된 형태의 충전 관리 회로의 동작 예를 설명하는 타이밍 차트이다. 구체적으로, 도 7은 배터리 충전 단계 동안, 시간(t)에 따른 배터리 셀을 흐르는 전압(U) 변화를 보여준다. 이 예에서는, 제너 다이오드에 상응하는 발열체가 셀을 가로질러 연결되어 있고, 셀은 공칭 최대 충전 전압 Unom을 가지고, Unom보다 큰 임계 전압 Umax까지 과충전을 손상 없이 견딜 수 있는 경우가 고려되었다. 셀과 연관된 발열체는 활성화 한계치 Uz를 가지며, 이 예에서, Uz는 Unom과 Umax 사이의 범위에 있다.
배터리의 충전 단계의 시작인 시간 t0에서 셀은 완전히 또는 부분적으로 방전되어 있고, 셀의 전압 U는 Unom보다 작다.
시간 t0에 이어 t1에서는, 셀을 흐르는 전압이 Unom에 이른다. 만약, 충전 전류가 중단되지 않으면, 셀은 충전을 계속하고, 셀을 흐르는 전압은 Unom보다 커지게 된다.
시간 t1에 이어 t2에서는, 셀을 가로지르는 전압이, 셀과 연결된 발열체의 활성화 한계치 Uz에 이른다. 이 때 전류가 발열체를 통해 흐르기 시작하고, 이후 충전 전류는 셀과 발열체 사이에서 분산된다. 그에 따라, 셀은 충전을 계속하고, 셀을 흐르는 전압은 한계치 Uz를 넘어 계속 증가하여 발열체를 흐르는 전류를 증가시킨다. 전달된 전류의 영향으로, 발열체는 열을 발생시킨다.
t2에 이어 t3에서는, 발열체가, 충전을 정지시키는 다시 말해, 충전 전류의 중단을 일으키는 온도 레벨에 도달한다. 이 시점에서, 셀을 가로지르는 전압은 Uend에 해당하는 값을 가지며, Uend는 전압 Uz와 전압 Umax 사이의 범위에 속한다.
시간 t3 이후에, 셀은 발열체로 방전하고, 셀을 흐르는 전압은 감소한다. 이어, t4에서 셀을 흐르는 전압은 Uz에 머무르게 된다.
t2에서 t3 사이의 과충전 단계 동안 나머지 배터리 셀들은 계속 방전한다. 만약, 시간 t3에서 모든 배터리 셀들이 그들과 연관된 발열체의 활성화 한계치에 이르렀다면, t3 이후 모든 셀들이 부분적으로 각자의 발열체로 방전하고, 셀들은 한계치 Uz에서 안정화되며, 배터리 셀들은 균형을 이룬다. 그러나, 시간 t3에서, 일부 배터리 셀들이 한계치 Uz에 이르지 못하면, t3 이후에 Uz를 초과한 레벨을 갖는 셀들의 방전 전류가 (시간 t3와 t4 사이에서) 덜 충전된 셀들의 충전을 계속한다. 이는 적어도 부분적으로 배터리 셀들의 균형에 기여한다.
이전에 언급한 것과 같이, 공칭 최대 충전 전압을 넘어서는 과충전을 견딜 수 없는 셀들의 경우 (Unom = Umax), 활성화 한계치 Uz는 공칭 최대 충전 전압보다 낮도록 선택될 수 있고, 충전 관리 회로는 시간 t3에서의 셀의 전압 Uend가 전압 Unom보다 작도록 구성될 수 있다.
서술된 실시예는 도 5 및 도 6과 관련하여 서술된 발열체의 예에 한정되지 않는다. 당 업계에 통상의 지식을 가진 자에 의해, 셀을 가로지르는 전압이 한계치를 초과할 때 열을 발생시킬 수 있는 다른 발열체도 제공될 수 있다. 예를 들어, 발열체는, 열을 발생시킬 수 있는 저항기에, 출력이 연결된 전압 비교기를 포함할 수 있고, 여기서 높은 상태로 출력된 비교기의 활성화는 저항기에 파워를 일으키고, 그에 따른 열을 발생시킨다.
사용되는 발열체의 형태가 어떤 것이든지, 후자는 가급적 셀 전압이 셀의 기능 소실로 이어질 수 있는 한계 레벨에 이르기 전에 충전이 중단되도록 충분히 높은 온도 상승을 만들 수 있어야 한다.
도 8은 배터리(304)와 충전 관리 회로(702)의 다른 실시예를 포함하는 조립품(700)의 예를 보여주는 전기회로도이다. 도 3의 예에서와 같이, 충전 관리 회로(702)는, 셀들(301i)의 각각과 병렬로 연결되고, 발열체를 흐르는 전압이 예컨대, 셀의 공칭 최대 충전 전압에 따라 선택된 활성화 한계치를 넘을 때 열을 발생시키도록 구성된 발열체(303i)를 포함한다. 회로(702)는 발열체들(303i) 각각의 부근에서 발열체(303i)와 열적으로 짝지어진 온도 센서(703i)를 더 포함한다. 또한, 회로(702)는 센서(703i)에 의해 측정된 온도에 따라 배터리 충전을 제어하도록 구성된 제어 회로(705)를 더 포함한다.
도 7의 실시예의 장점은 충전 단계 동안, 배터리 셀들간에 비교적 정확한 균형을 맞출 수 있다는 것이다. 예를 들어, 제어 회로(705)는 온도 센서들(703i) 중의 하나가 자신과 연관된 발열체의 활성화에 부합하는 온도 상승을 인지하자 마자 충전 전류를 줄이도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 셀 수준에서 충전 전류 모두가 발열체(303i)를 통하여 흐르기 시작하게 함으로써, 충전 전류를 줄이고, 해당 셀의 충전을 중단하게끔 한다. 예컨대, 발열체(303i)가 제너 다이오드면, 제너 다이오드를 흐르는 전압의 상승 없이, 충전 전류는 제너 다이오드가 흡수할 수 있는 전류 한계치 아래로 감소한다. 감소된 충전 전류는 모든 센서들(703i)이 온도 상승을 인지할 때까지, 다시 말해, 모든 셀들이 충전되고 배터리가 균형을 유지할 때까지, 계속 유지될 수 있다. 그 후, 충전전류는 회로(705)에 의해 중단될 수 있고, 배터리의 모든 셀들이 같은 전압 레벨, 다시 말해 회로(702) 발열체의 활성화 전압에 도달한 이후, 배터리는 균형을 이룬다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하고 도시하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
특히, 본 발명은 기본 배터리 셀들이 직렬 연결되어 있는 상술한 예에 한정되지 않는다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 셀들이 병렬로 연결되어 있는 경우 또는 직렬과 병렬이 조합된 형태의 위상을 가진 경우에 바람직한 운용을 제시하고 기술된 실시예를 적합하게 적용하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 배터리가 4개의 기본 셀을 포함하는 상술된 예에 한정되지 않는다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 기본 셀의 수와 상관없이 바람직한 운용이 제시될 수 있다.
또한, 본 발명은 서술한 바와 같이 충전 관리 회로의 온도 센서(들)에 의해 측정된 온도에 따라 배터리 충전 전류를 제어하는 모드들의 예에 한정되지 않는다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 과충전으로 인한 손상으로부터의 배터리 보호 및/또는 충전 단계 동안 셀들 간의 균형을 만족스럽게 제공하는 다른 충전 전류 제어 모드가 제시될 수 있다.

Claims (14)

  1. 기본 셀들(301i)로 이루어진 배터리(304)의 충전을 관리하기 위한 회로(302, 402, 702)에 있어서,
    활성화 전압(Uz)을 넘어서는 열을 소멸시킴으로써 자신을 흐르는 전압을 클램핑 할 수 있고, 각각이 상기 배터리의 하나 이상의 셀들로 된 서로 다른 서브 조립품과 연결되는 복수의 발열체들(303i, 403j);
    상기 하나 이상의 발열체(303i, 403j)의 활성화를 인지할 수 있는 적어도 하나의 온도 센서(103, 703i); 및
    상기 온도 센서(103, 703i)가 발열체(303i, 403j)의 활성화를 인지함에 따라 상기 배터리의 충전 전류를 제어할 수 있는 제어 회로(105, 705);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 관리 회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발열체(303i, 403j) 각각의 활성화 전압(Uz)은 발열체와 연결된 셀들(301i)로 된 서브 조립품의 공칭 최대 충전 전압(Unom)에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 발열체(303i, 403j) 각각의 활성화 전압(Uz)은 발열체와 연결된 셀들(301i)로 된 서브 조립품의 공칭 최대 충전 전압(Unom) 이상인 것을 특징으로 하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 발열체(303i, 403j) 각각의 활성화 전압(Uz)은 발열체와 연결된 셀들(301i)로 된 서브 조립품의 공칭 최대 충전 전압(Unom) 미만인 것을 특징으로 하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  5. 제1 항에서 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열체(303i, 403j) 각각은 제너 다이오드(5012, 6011)를 포함하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  6. 제1 항에서 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열체(303i, 403j) 각각은 프로그램 가능한 활성화 전압을 가지는 집적 클램핑 회로를 포함하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  7. 제1 항에서 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브 조립품 각각은 하나의 셀(301i)을 포함하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 702).
  8. 제1 항에서 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브 조립품 각각은 적어도 두 개의 셀(301i)을 포함하는
    배터리 충전 관리 회로(402).
  9. 제1 항에서 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 온도 센서(703i)를 포함하고,
    상기 복수의 온도 센서(703i) 각각은 서로 다른 발열체(303i, 403j)와 열적 결합하는 것을 특징으로 하는
    배터리 충전 관리 회로(702).
  10. 제1 항에서 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 회로(105)는 발열체(303i, 403j)의 활성화가 인지되었을 때 충전 전류를 수정하도록 구성되는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 충전 전류의 수정은 충전 전류의 완전한 중단이 아닌 충전 전류를 감소시키는 것을 포함하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 충전 전류의 수정은 충전 전류를 중단하는 것을 포함하는
    배터리 충전 관리 회로(302, 402, 702).
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 제어 회로(105)는 상기 온도 센서(703i) 각각이 발열체의 활성화를 인지하였을 때 충전 전류를 중단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    배터리 충전 관리 회로(702).
  14. 기본 셀들(301i)로 이루어진 배터리(304)와 제1 항에서 제13 항까지의 어느 한 항에 따른 충전 관리 회로(302, 402, 702)를 포함하는 조립품(300, 400, 700).
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