KR20160061049A

KR20160061049A - 복수의 배터리 유닛들을 포함하는 전지팩의 충전량을 향상시키기 위한 전지팩 충전기

Info

Publication number: KR20160061049A
Application number: KR1020140163471A
Authority: KR
Inventors: 최문규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-31
Also published as: KR101925113B1

Abstract

본 발명은 직렬 연결되어 있는 둘 이상의 배터리 유닛들을 포함하는 전지팩을 충전하기 위한 전지팩 충전기로서, 상기 배터리 유닛들과 일대일로 대응하여 전기적으로 연결되는 둘 이상의 충전부들; 상기 충전부들과 전기적으로 연결되어 배터리 유닛들의 전압을 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 송부된 배터리 유닛들의 전압에 기반하여 제어신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 송부된 제어신호에 기반하여 충전부들에 충전 전류를 인가하는 전원부;를 포함하며, 상기 제어부는 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달한 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어하여, 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기에 관한 것이다.

Description

복수의 배터리 유닛들을 포함하는 전지팩의 충전량을 향상시키기 위한 전지팩 충전기 {Battery Pack Charger for Improving Charge of Battery Pack Comprising Multiple Battery Units}

본 발명은 전지팩 내의 배터리 유닛들을 밸런싱하기 위한 전지팩 충전기에 관한 것이다.

화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.

현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.

이러한 이차전지를 단위 전지로 포함하는 전지팩은 전기 자동차, 전기 자전거, 전동 공구 및 휴대용 컴퓨터 등 다양한 디바이스의 전원으로 사용되고 있으며, 각각의 디바이스에 필요한 전압 및 용량을 확보할 수 있도록 복수의 전지셀들이 직렬 연결되어 있는 것이 일반적이다.

이러한 전지팩을 충전하기 위해서는, 전지셀들이 직렬로 연결되어 있는 상태에서 전류를 인가하여, 일괄적으로 충전하는 방법이 일반적으로 사용되었다.

다만, 전지팩에 포함된 전지셀들은 제조 상의 오차로 인해 용량 및 내부 저항에 있어서 어느 정도 차이를 가지게 되고, 이에 대한 고려없이 일괄적으로 충전을 하는 경우, 충전 불균일 현상이 발생하여, 일부 전지셀들은 과충전 되고, 다른 일부 전지셀들은 만충전 되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 충전 불균일 현상으로 인하여, 일부 전지셀들의 용량을 충분히 활용하지 못하여 전지팩의 용량이 감소하는 문제, 일부 전지셀들의 과충전 또는 과방전으로 인해 전지의 수명이 단축되는 문제 등이 발생할 수 있다.

종래에는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 전지팩에 내장되어 있는 BMS (battery management system)를 이용하여, 충전 과정에서 각각의 전지셀들의 전압을 측정한 후 전지셀들이 전압 불균형을 이루는 경우, 전압이 높은 특정 전지셀을 방전시킴으로써 전지셀들 간의 전압이 균형을 이룰 수 있도록 조절하는 전압 밸런싱 방법이 사용되었다.

이와 같이 충전 중에 특정 전지셀을 방전시키기 위해서는, 각각의 전지셀에 저항과 트랜지스터를 연결하고 BMS를 통해 이를 제어해야 하므로, 전지팩의 구성이 복잡해지고, BMS의 제어 로직이 복잡해지는 문제가 발생하였다.

또한, 전지셀의 방전을 통해 밸런싱을 유도하므로 방전량만큼 에너지 효율이 감소하며, 방전 시 발생하는 열로 인하여 전지팩이 과열되어 안전성을 위협하는 문제도 발생하였다.

한편, 밸런싱 방법을 사용하여 충전하더라도 모든 전지셀들이 동시에 만충전 되는 것은 불가능하였다. 또한, 전지셀의 과충전을 방지하기 위해서 하나의 전지셀이라도 만충전 전압에 도달하면 전지팩 전체의 충전을 종료하는 것이 일반적이었다.

이와 같은 충전 방법을 사용하는 경우, 전지셀의 과충전은 방지할 수 있지만, 만충전 전압에 가장 먼저 도달한 전지셀을 제외한 다른 전지셀들은 만충전 되지 못하므로, 전지팩 전체로 볼 때 충전량이 감소하는 문제가 있다.

따라서, 전지팩 충전 시 전지셀들의 과충전을 방지하면서도 각각의 전지셀들을 만충전 시켜 전지팩의 충전량을 향상시킬 수 있고, 전지셀들을 전압 밸런싱 하더라도 에너지 효율을 높일 수 있으며, 전지팩의 과열을 방지할 수 있고, 또한, 전지팩의 구성을 간소화할 수 있는 기술에 대한 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전지팩 충전기가 전지팩의 배터리 유닛들과 일대일로 대응하여 전기적으로 연결되는 둘 이상의 충전부들과, 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달한 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어하는 제어부를 포함하는 구성에 의해, 예상치 못하게 우수한 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 직렬 연결되어 있는 둘 이상의 배터리 유닛들을 포함하는 전지팩을 충전하기 위한 전지팩 충전기는,

상기 배터리 유닛들과 일대일로 대응하여 전기적으로 연결되는 둘 이상의 충전부들; 상기 충전부들과 전기적으로 연결되어 배터리 유닛들의 전압을 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 송부된 배터리 유닛들의 전압에 기반하여 제어신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 송부된 제어신호에 기반하여 충전부들에 충전 전류를 인가하는 전원부;를 포함하며,

상기 제어부는 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달한 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어하여, 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전하는 것을 특징으로 한다.

종래의 충전기의 경우, 하나의 충전부를 포함하여 배터리 유닛들의 충전 상태를 각각 제어하는 것이 불가능하였다. 따라서, 배터리 유닛의 과충전 방지를 위해서, 하나의 배터리 유닛이라도 기준 전압에 도달하는 경우, 다른 배터리 유닛들은 기준 전압에 도달하지 못하였더라도 전지팩 전체의 충전을 종료하는 방법을 사용하였다.

반면에, 본 발명에 따른 전지팩 충전기를 사용하는 경우, 상기 배터리 유닛들과 일대일로 대응하여 전기적으로 연결되는 둘 이상의 충전부들을 포함함으로써, 배터리 유닛들의 충전 상태를 각각 제어하는 것이 가능하다.

또한, 상기 제어부를 이용하여 기준 전압에 도달한 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류만을 선택적으로 차단하도록 충전부를 제어할 수 있으므로, 배터리 유닛의 과충전을 방지하면서 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전할 수 있다.

따라서, 전지팩 전체로 볼 때, 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전할 수 있어서, 일부 배터리 유닛만이 기준 전압에 도달할 수 있는 종래의 충전기에 비해, 전지팩의 충전량을 향상시키는 효과가 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 배터리 유닛은 전지셀 또는 둘 이상의 전지셀들이 병렬로 연결되어 있는 뱅크일 수 있고, 상세하게는 둘 이상의 전지셀들이 병렬로 연결되어 있는 뱅크일 수 있다.

사용되는 디바이스에 따라 필요한 전지팩의 용량이 상이하고, 특히, 전기 자동차, 및 전지 자전거 등의 중대형 디바이스의 경우 일반적으로 큰 용량의 전지팩을 필요로 하므로, 단일 전지셀을 직렬 연결하여 사용하기 보다는 전지셀들을 병렬 연결한 뱅크를 직렬 연결하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 기준 전압은 배터리 유닛들의 만충전 전압의 98 내지 100%, 상세하게는 99 내지 100% 범위 내일 수 있다.

상기 기준 전압이 배터리 유닛들의 만충전 전압의 98% 미만인 경우에는 배터리 유닛의 충전량이 감소하는 문제가 있고, 100% 초과인 경우에는 배터리 유닛이 과충전 될 수 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 상기 제어부는, 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달하고 충전되는 전류가 제 1 전류 수준 이하인 배터리 유닛에, 인가되는 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어할 수 있다.

상기 제 1 전류 수준은 기준 충전 전류의 1 내지 10%, 상세하게는 3 내지 8% 범위 내일 수 있으며, 제 1 전류 수준이 1% 미만인 경우에는 충전시간 대비 배터리 유닛의 충전량 증가가 크지 않으므로 충전 효율이 낮으며, 10% 초과인 경우에는 배터리 유닛이 실질적으로 만충전 되기 전에 충전이 종료될 수 있어서 바람직하지 않다.

본 명세서에서, 상기 기준 충전 전류는 배터리 유닛의 제조 시 결정되는 사양으로, 배터리 유닛의 용량과 충전율(C-rate)을 고려하여 충전에 적합하도록 설정된 전류를 의미한다.

한편, 상기 제어부는 정전류(Constant Current) 충전 방식 및/또는 정전압(Constant Voltage) 충전 방식으로 배터리 유닛들을 충전하도록 제어할 수 있다.

정전류 충전 방식은, 전지에 인가되는 충전 전류를 일정한 값으로 고정한 상태로 충전하는 방법으로, 충전의 진행에 따라서 전지의 전압이 상승하므로 그에 따라 인가되는 전압도 점차 높여주는 충전 방식이다.

이에 비해, 정전압 충전 방식은, 전지에 인가되는 충전 전압을 일정하게 유지하면서 충전하는 방법으로, 충전 초기에는 충전 전류가 높고, 종기로 갈수록 충전 전류가 작아지는 충전 방식이다.

전지의 용량, 충전 속도, 및 충전기의 용량 등을 고려하여 충전 방식을 결정할 수 있으며, 정전압 충전은 초기 충전 속도가 느리고, 정전류 충전은 종기에 이를수록 전지에 인가되는 충전 전압이 높아지게 되어, 결국, 전지의 정격 전압보다도 충전 전압이 높아져서 전지가 과충전 될 우려가 있다.

따라서, 초기에는 정전류 충전 방식으로 빠르게 충전을 진행하다가, 일정한 충전 시점에 이르러서는 정전압 충전 방식으로 전환하는 것이 충전 속도와 과충전 방지 측면에서 바람직하며, 하나의 구체적인 예에서, 상기 제어부는 정전류 충전 방식으로 충전을 하다가 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛의 전압이 제 1 전압 수준에 도달하면, 정전압 충전 방식으로 변경하도록 제어할 수 있다.

상세하게는, 상기 제 1 전압 수준은 배터리 유닛들의 만충전 전압의 50 내지 90%, 더욱 상세하게는 60 내지 80%의 범위 내일 수 있다.

상기 제 1 전압 수준이 만충전 전압의 50% 미만인 경우에는, 정전류 충전 구간이 짧아 전지팩의 충전 시간이 길어질 수 있고, 90% 초과인 경우에는 고속 충전으로 인해 만충전 되더라도 전지의 용량을 충분히 확보할 수 없으므로 바람직하지 않다.

상기 정전압 충전 방식의 경우, 일정한 전압을 인가하므로 이 구간에서는 배터리 유닛에 인가하는 충전 전류를 임의로 조절하는 것이 용이하지 않기 때문에, 하나의 구체적인 예에서, 상기 제어부는 정전류 충전 방식으로 충전하는 동안 배터리 유닛들 중에서 상대적으로 낮은 전압을 가지는 배터리 유닛에 기준 충전 전류보다 높은 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어하여 배터리 유닛들의 충전 상태를 밸런싱 할 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩 충전기를 사용하여 밸런싱 하는 경우, 상기 배터리 유닛들과 일대일로 대응하여 전기적으로 연결되는 둘 이상의 충전부들을 포함하여, 기존의 밸런싱 방법처럼 상대적으로 전압이 높은 배터리 유닛을 방전시키는 방법이 아닌, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 유닛에 더 높은 충전 전류를 인가하는 방법을 사용하므로, 방전으로 인한 에너지 소모를 줄일 수 있는바 충전 시 에너지 효율을 높일 수 있다.

더욱이, 기존의 밸런싱 방법에서는 방전으로 인해 배터리 유닛에 열이 발생하여 전지팩의 안전성에 문제가 되었으나, 본 발명에 따른 충전기는 충전 전류를 조절할 뿐 방전시키지 않으므로, 기존의 방법에 비해 발열량이 현저히 낮은 바, 전지팩의 과열을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 전지팩 충전기는 충전기 측에서 각각의 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류를 조절하여 밸런싱이 가능하므로, 기존의 전지팩의 구성 중 방전을 통한 밸런싱을 위해 각각의 배터리 유닛마다 필수적으로 포함되어야 했던 저항 및 트랜지스터가 필요하지 않은 바, 전지팩의 구성을 간소화할 수 있고, 전지팩의 제조단가 또한 낮출 수 있다.

더욱이, 전지팩의 BMS에서도 밸런싱을 위한 제어 로직이 필요하지 않으므로, 제어 로직을 간소화하여 BMS의 오작동 가능성을 낮출 수 있다.

상기 제어부는 측정된 배터리 유닛의 전압에 기반하여 상대적으로 낮은 전압을 가지는 배터리 유닛에 기준 충전 전류보다 높은 충전 전류를 인가하도록 제어할 수 있으면, 그 제어 방법이 특별히 제한되지는 않지만, 하나의 구체적인 예에서, 상기 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛을 기준으로, 상기 제 1 배터리 유닛과 그 외의 다른 배터리 유닛들과의 전압 차이를 계산하여, 각각의 배터리 유닛에 상기 전압 차이에 비례하여 기준 충전 전류보다 높은 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어할 수 있다.

이 경우, 각각의 배터리 유닛에 다른 충전 전류를 인가하여 밸런싱을 유도하므로 밸런싱 효율 측면에서는 가장 바람직한 방법일 수 있다. 하지만, 이러한 방법을 사용하는 경우, 상기 제어부에서 매번 제 1 배터리 유닛과 그 외의 다른 배터리 유닛들과의 전압 차이를 계산하고, 이에 비례하는 충전 전류를 인가하도록 제어해야 하므로 제어 과정이 다소 복잡해질 수 있다.

또 다른 예에서, 상기 제어부는, 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛을 기준으로, 제 1 배터리 유닛보다 제 1 전압차 이상의 전압 차이를 가지는 배터리 유닛들에 기준 충전 전류보다 높은 제 1 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어할 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는 제 1 배터리 유닛보다 제 1 전압차 이상의 전압 차이를 가지는 배터리 유닛(들)만을 선정하여 미리 설정된 제 1 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어하므로, 제어부에서 매번 복잡한 계산을 거칠 필요가 없는 바, 제어 과정을 간소화 할 수 있다. 또한, 밸런싱 효율 측면에 있어서, 상기 제 1 전압차와 제 1 충전전류의 구체적 설정을 통해 밸런싱의 효율을 높일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전압차는 배터리 유닛들의 만충전 전압의 1 내지 10%, 상세하게는 2 내지 4% 범위 내일 수 있다.

상기 제 1 전압차가 만충전 전압의 1% 미만인 경우에는 제 1 배터리 유닛과 밸런싱 대상 배터리 유닛들과의 전압 차이가 크지 않으므로 밸런싱의 필요성이 적으며, 10% 초과인 경우에는, 제 1 배터리와 밸런싱 대상 배터리 유닛들과의 전압 차이가 너무 커져서 제 1 충전 전류를 인가하여 밸런싱을 시도하더라도 만충 시까지 배터리 유닛들 간에 밸런싱을 이루기 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 충전 전류는 기준 충전 전류보다 5 내지 30%, 상세하게는 10 내지 20% 높은 범위 내일 수 있다.

상기 제 1 충전 전류가 기준 충전 전류보다 5% 미만인 경우에는 밸런싱 대상 배터리 유닛이 밸런싱되는 속도가 빠르지 않아 밸런싱의 효과가 적으며, 30% 초과인 경우에는 밸런싱 대상 배터리 유닛에 기준 충전 전류보다 과도하게 큰 충전 전류가 인가되어 충전율이 높아지고, 결과적으로, 밸런싱을 이루더라도 만충전 시 해당 배터리 유닛의 충전 용량은 오히려 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.

한편, 이와 같이 제 1 전압차 이상에서 제 1 충전 전류를 인가하는 과정을 지속하는 경우, 해당 배터리 유닛의 전압이 제 1 배터리 유닛의 전압에 근접하게 되고, 더 오래 지속하는 경우에는 오히려 제 1 배터리 유닛의 전압을 초과하게 되어 바람직하지 않다.

따라서, 상기 제어부는, 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛을 기준으로, 상기 제 1 배터리 유닛보다 제 2 전압차 이하의 전압 차이를 가지는 배터리 유닛들에 기준 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어할 수 있다.

이 때, 상기 제 2 전압차는 배터리 유닛들의 만충전 전압의 0.1 내지 2%, 상세하게는 0.1 내지 1%, 더욱 상세하게는 0.1 내지 0.6% 범위 내일 수 있다.

상기 제 2 전압차가 0.1% 미만인 경우에는, 센서부의 측정 전압 오차 등을 고려할 때 밸런싱 대상 배터리 유닛이 제 1 배터리 유닛의 전압을 초과할 수 있으므로 바람직하지 않고, 2% 초과인 경우에는, 밸런싱 대상 배터리 유닛과 제 1 배터리 유닛의 전압 차이가 커서 밸런싱이 완전히 이루어진 것으로 보기 어렵고, 기준 충전 전류를 인가하고 일정 시간이 지나면 다시 전압차가 커질 가능성이 높으므로 바람직하지 않다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 제어부는 0.1 내지 3초, 상세하게는 0.1 내지 2초 간격으로 배터리 유닛들의 전압을 입력 받고 제어 신호를 출력할 수 있고, 0.1초 미만인 경우에는 제어부가 밸런싱을 위해 필요 이상으로 많은 수의 연산을 처리해야 하므로 바람직하지 않고, 2초 초과인 경우에는 제 1 충전 전류를 인가받고 있는 밸런싱 대상 배터리 유닛의 전압이 제 1 배터리 유닛의 전압을 초과하는 등의 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.

한편, 상기 전지팩에서는, 밸런싱을 위한 저항, 트랜지스터 및 밸런싱 제어 로직이 제외되는 대신에, 전지팩 충전기에서 밸런싱을 위해 충전전류를 제어하기 위한 구성이 필요하고, 따라서, 상기 충전부들은 각각 제어부로부터 송부된 제어신호에 기반하여 충전부에 인가되는 충전 전류를 조절하는 제어회로를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지팩 충전기를 이용하여 직렬 연결되어 있는 둘 이상의 배터리 유닛들을 포함하는 전지팩을 충전하는 방법을 제공하며, 이러한 충전 방법은,

(a) 전지팩 충전기의 충전부들과 상기 전지팩의 배터리 유닛들이 일대일 대응되도록 전기적으로 연결하는 과정;

(b) 센싱부를 이용하여 상기 배터리 유닛들의 전압을 측정하는 과정; 및

(c) 제어부를 이용하여 상기 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달한 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류를 차단하는 과정;

을 포함하여 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전할 수 있다.

상기 충전 방법은, 경우에 따라, (d) 상기 배터리 유닛들이 모두 기준 전압에 도달하면 전지팩의 충전을 종료하는 과정;을 더 포함할 수도 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩 충전기는, 전지팩 충전 시 배터리 유닛의 과충전을 방지하면서 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전할 수 있다. 따라서, 전지팩의 충전량을 향상시킬 수 있다.

또한, 방전 방식이 아닌 충전 전류를 조절하여 배터리 유닛들을 밸런싱 하므로, 에너지 효율이 높고, 전지팩의 과열을 방지하여 전지팩의 안전성을 도모할 수 있으며, 전지팩에 방전 방식의 밸런싱을 위해 필요했던 저항 및 트랜지스터와 같은 구성 요소를 제거하여 구성을 간소화하고 전지팩의 제조 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 충전기를 이용하여 전지팩을 충전하는 구성을 나타낸 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 충전기를 이용하여 전지팩을 충전하는 구성을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지팩 충전기는 센싱부(210), 제어부(220), 및 충전부들(231, 232, 233, 234, 235)을 포함하며, 전지팩(100)은 전지팩 충전기에 전기적으로 연결되어 있다.

구체적으로, 전지팩(100)은 5개의 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)을 포함하며, 제 1 뱅크(110)에는 2개의 전지셀들(111, 112)이 포함되어 있고, 전지셀들(111, 112)은 병렬 연결되어 있으며, 다른 4개의 뱅크들(120, 130, 140, 150)도 각각 2개의 전지셀들이 병렬 연결되어 제 1 뱅크(110)와 유사한 구조를 이루고 있다.

전지팩(100)의 사용 시에는 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)이 직렬 연결되어 있으나, 충전 시에는 이러한 직렬 연결이 해제되고, 도 1과 같이 충전부들(231, 232, 233, 234, 235)에 일대일로 대응되어 전기적으로 연결된다.

전지팩(100)이 충전되는 과정을 살펴보면, 우선적으로, 전지팩 충전기의 충전부들(231, 232, 233, 234, 235)과 전지팩(100)의 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)이 일대일 대응되도록 전기적으로 연결하고, 센싱부(210)를 이용하여 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)의 전압을 측정한다.

센싱부(210)는 측정된 전압을 제어부(220)에 송부하고, 제어부(220)는 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)의 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 뱅크의 전압이 제 1 전압 수준 미만인 경우에는 정전류 충전 방식으로 충전하도록 제어하고, 제 1 전압 수준 이상인 경우에는 정전압 충전 방식으로 충전하도록 제어한다.

제어부(220)는 정전류 충전 방식으로 충전하는 동안 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150) 중에서 상대적으로 낮은 전압을 가지는 뱅크에 기준 충전 전류보다 높은 충전 전류를 인가하도록 충전부들(231, 232, 233, 234, 235)을 제어하여 뱅크들의 충전 상태를 밸런싱 하도록 제어한다.

충전부들(231, 232, 233, 234, 235)은 전원부(도시하지 않음)로부터 인가받은 전류를 제어부(220)로부터 송부받은 제어신호에 부합하도록 조절하기 위한 제어회로(도시하지 않음)를 각각 포함하고 있어, 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)에 인가되는 충전 전류를 조절하여 밸런싱 한다.

충전이 진행되는 동안, 센싱부(210)는 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)의 전압을 반복적으로 측정하고, 제어부(220)는 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150) 중에서, 기준 전압에 도달하고, 동시에, 충전되는 전류가 제 1 전류 수준 이하인 뱅크에, 인가되는 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어한다.

이러한 충전 과정을 통해서, 기준 전압에 도달한 뱅크들의 충전이 각각 종료되고, 모든 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)이 기준 전압에 도달하면 전지팩(100)의 충전이 종료된다.

이와 관련하여, 구체적인 수치를 바탕으로 전지팩(100)이 충전되는 과정을 살펴보기 위해, 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)의 만충전 전압이 4.2 V이고, 기준 충전 전류는 1000 mA이고, 기준 충전 전류에 비례하는 기준 충전율은 0.5 C-rate이며, 현 시점에서 제 1 뱅크(110)의 전압이 2.55 V, 제 2 뱅크(120)의 전압이 2.54 V, 제 3 뱅크(130)의 전압이 2.56 V, 제 4 뱅크(140)의 전압이 2.35 V, 및 제 5 뱅크(150)의 전압이 2.4 V인 충전 시스템을 가정할 수 있다.

이 경우, 제어부(220)는 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150) 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 3 뱅크(130)를 기준으로 설정하고, 제 3 뱅크(130)의 전압과 비교하여 0.126 V (만충전 전압인 4.2 V의 3%)이상 차이가 나는 제 4 및 5 뱅크(140, 150)는 0.6 C-rate (기준 충전율 0.5 C-rate보다 전류가 20% 증가된 수치)로 충전되도록 제어할 수 있다. 제 4 및 5 뱅크(140, 150)를 제외한 뱅크들(110, 120, 130)은 기준 충전율인 0.5 C-rate로 충전되도록 제어하여 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)의 충전 상태를 밸런싱 할 수 있다.

제어부(220)는 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 3 뱅크(130)의 전압이 만충전 전압 4.2 V의 80%인 3.36 V에 도달할 때까지는 정전류 충전 방식으로 충전하고, 그 이후에는 정전압 충전 방식으로 충전하여 충전 효율성을 높일 수 있고, 이때 상기와 같은 밸런싱은 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)의 전압이 3.36 V 미만일 때, 즉, 정전류 충전 방식으로 충전하는 동안에만 적용되도록 구성할 수 있다.

충전이 계속 진행되어 정전압 충전 방식으로 충전이 진행될 때, 제어부(220)는 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150) 중에서 제 3 뱅크(130)가 기준 전압인 4.2 V (만충전 전압의 100%)에 도달하고, 충전되는 전류가 50 mA (기준 충전 전류의 5 %) 이하이면, 제 3 뱅크(130)에 인가되는 충전 전류를 차단하도록 충전부(233)를 제어할 수 있다.

제어부(220)는 이러한 조건을 만족하는 뱅크에 대하여 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어하는 과정을 반복하고, 모든 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)이 4.2 V에 도달하고, 충전되는 전류가 50 mA 이하가 되면 전지팩의 충전을 종료한다.

따라서, 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)의 과충전을 방지하면서 모든 뱅크들(110, 120, 130, 140, 150)을 각각 기준 전압까지 충전하여, 전지팩(100)의 충전량을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims

직렬 연결되어 있는 둘 이상의 배터리 유닛들을 포함하는 전지팩을 충전하기 위한 전지팩 충전기로서,
상기 배터리 유닛들과 일대일로 대응하여 전기적으로 연결되는 둘 이상의 충전부들;
상기 충전부들과 전기적으로 연결되어 배터리 유닛들의 전압을 측정하는 센싱부;
상기 센싱부로부터 송부된 배터리 유닛들의 전압에 기반하여 제어신호를 출력하는 제어부; 및
상기 제어부로부터 송부된 제어신호에 기반하여 충전부들에 충전 전류를 인가하는 전원부;
를 포함하며,
상기 제어부는 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달한 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어하여, 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 1 항에 있어서, 상기 배터리 유닛은 전지셀 또는 둘 이상의 전지셀들이 병렬로 연결되어 있는 뱅크인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 2 항에 있어서, 상기 배터리 유닛은 둘 이상의 전지셀들이 병렬로 연결되어 있는 뱅크인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 1 항에 있어서, 상기 기준 전압은 배터리 유닛들의 만충전 전압의 98 내지 100% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달하고, 충전되는 전류가 제 1 전류 수준 이하인 배터리 유닛의 충전 전류를 차단하도록 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 5 항에 있어서, 상기 제 1 전류 수준은 기준 충전 전류의 1 내지 10% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 6 항에 있어서, 상기 제 1 전류 수준은 기준 충전 전류의 3 내지 8% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 정전류(Constant Current) 충전 방식 및/또는 정전압(Constant Voltage) 충전 방식으로 배터리 유닛들을 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 8 항에 있어서, 상기 제어부는 정전류 충전 방식으로 충전을 하다가 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛의 전압이 제 1 전압 수준에 도달하면, 정전압 충전 방식으로 변경하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 9 항에 있어서, 상기 제 1 전압 수준은 배터리 유닛들의 만충전 전압의 50 내지 90% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 8 항에 있어서, 상기 제어부는 정전류 충전 방식으로 충전하는 동안 배터리 유닛들 중에서 상대적으로 낮은 전압을 가지는 배터리 유닛에 기준 충전 전류보다 높은 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어하여 배터리 유닛들의 충전 상태를 밸런싱 하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 11 항에 있어서, 상기 제어부는, 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛을 기준으로, 상기 제 1 배터리 유닛과 그 외의 다른 배터리 유닛들과의 전압 차이를 계산하여, 각각의 배터리 유닛에 상기 전압 차이에 비례하여 기준 충전 전류보다 높은 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 11 항에 있어서, 상기 제어부는, 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛을 기준으로, 제 1 배터리 유닛보다 제 1 전압차 이상의 전압 차이를 가지는 배터리 유닛들에 기준 충전 전류보다 높은 제 1 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 13 항에 있어서, 상기 제 1 전압차는 배터리 유닛들의 만충전 전압의 1 내지 10% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 14 항에 있어서, 상기 제 1 전압차는 배터리 유닛들의 만충전 전압의 2 내지 4% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 13 항에 있어서, 상기 제 1 충전 전류는 기준 충전 전류보다 5 내지 30% 높은 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 11 항에 있어서, 상기 제어부는, 배터리 유닛들 중에서 가장 높은 전압을 가지는 제 1 배터리 유닛을 기준으로, 상기 제 1 배터리 유닛보다 제 2 전압차 이하의 전압 차이를 가지는 배터리 유닛들에 기준 충전 전류를 인가하도록 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 17 항에 있어서, 상기 제 2 전압차는 배터리 유닛들의 만충전 전압의 0.1 내지 2% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 18 항에 있어서, 상기 제 2 전압차는 배터리 유닛들의 만충전 전압의 0.1 내지 1% 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 0.1 내지 3초 간격으로 송부된 배터리 유닛들의 전압 정보에 기반하여 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 1 항에 있어서, 상기 충전부들은 각각 제어부로부터 송부된 제어신호에 기반하여 충전부에 인가되는 충전 전류를 조절하는 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 충전기.
제 1 항에 따른 전지팩 충전기를 이용하여 직렬 연결되어 있는 둘 이상의 배터리 유닛들을 포함하는 전지팩을 충전하는 방법으로서,
(a) 전지팩 충전기의 충전부들과 상기 전지팩의 배터리 유닛들이 일대일 대응되도록 전기적으로 연결하는 과정;
(b) 센싱부를 이용하여 상기 배터리 유닛들의 전압을 측정하는 과정; 및
(c) 제어부를 이용하여 상기 배터리 유닛들 중에서 기준 전압에 도달한 배터리 유닛에 인가되는 충전 전류를 차단하는 과정;
을 포함하여 모든 배터리 유닛들을 각각 기준 전압까지 충전하는 것을 특징으로 하는 충전 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 충전 방법은, 하기 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 방법:
(d) 상기 배터리 유닛들이 모두 기준 전압에 도달하면 전지팩의 충전을 종료하는 과정.
제 22 항에 있어서, 상기 기준 전압은 배터리 유닛들의 만충전 전압의 98 내지 100% 범위 내인 것을 특징으로 하는 충전 방법.