KR20160063757A - 배터리 충전방법 및 이를 이용한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 충전방법 및 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것으로, 본 발명에 따른 패터리 팩은 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리부 및 외부 전원을 이용하여 상기 배터리부를 충전시키기 위한 충전 회로를 포함하며, 상기 충전 회로는 상기 외부 전원을 이용하여 상기 다수의 배터리 셀들을 1차 충전한 후, 상기 다수의 배터리 셀들 중 일부 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀들을 최대 충전 용량으로 2차 충전시킨다.

Description

배터리 충전방법 및 이를 이용한 배터리 팩{Battery charging method and battery pack using the method}
본 발명의 실시예는 배터리 충전방법 및 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것으로, 특히 패터리 팩의 충전 용량을 증대시킬 수 있는 배터리 충전방법 및 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것이다.
휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대폰, 디지털 카메라. 노트북 등이 널리 사용됨에 따라서, 이들 휴대용 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 공급하는 배터리에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 또한, 최근에는 전기 자동차, 무정전 전원 장치(UPS)나 에너지 저장 시스템 등에 사용되는 대용량 배터리 시스템에 대한 연구 개발도 활발하다.
본 발명의 실시 예는 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리들의 SOC(state of charge)를 극대화할 수 있는 충전 방법 및 이를 이용한 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 다수의 배터리 셀들을 외부 전원을 이용하여 최대 충전 전압보다 낮은 제1 전압 레벨로 1차 충전하는 단계 및 상기 외부 전원을 이용하여 상기 다수의 배터리 셀들 중 탑 셀을 제외한 나머지 배터리 셀들을 상기 최대 충전 전압으로 2차 충전하는 단계를 포함한다.
상기 나머지 배터리 셀들을 2차 충전하는 단계 이 후, 상기 외부 전원을 상기 최대 충전 전압과 같거나 높은 전압으로 다운 컨버팅한 전압으로 상기 탑 셀을 상기 최대 충전 전압으로 2차 충전하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리부 및 외부 전원을 이용하여 상기 배터리부를 충전시키기 위한 충전 회로를 포함하며, 상기 충전 회로는 상기 외부 전원을 이용하여 상기 다수의 배터리 셀들을 1차 충전한 후, 상기 다수의 배터리 셀들 중 일부 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀들을 최대 충전 용량으로 2차 충전시킨다.
상기 충전 회로는 상기 일부 배터리 셀들을 상기 최대 충전 용량으로 충전시키기 위한 DC-DC 컨버터를 포함한다.
상기 DC-DC 컨버터는 상기 외부 전원을 변환하여 상기 다수의 배터리 셀들 각각의 최대 충전 용량보다 같거나 큰 전압으로 상기 일부 배터리 셀들을 충전시킨다.
상기 충전 회로는 상기 외부 전원을 상기 배터리부의 양극 단자 및 음극 단자에 인가하거나, 상기 외부 전원을 상기 배터리부 중 탑 셀을 제외한 상기 나머지 배터리 셀들에 인가하기 위한 스위치부를 포함한다.
상기 충전 회로는 상기 외부 전원이 인가되는 단자부와, 상기 단자부와 연결되며 게이트 신호에 응답하여 상기 외부 전원을 상기 배터리부로 전송하기 위한 충방전 회로와, 충전 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 출력하는 마이크로 컴퓨터와, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 게이트 신호를 출력하기 위한 게이트 드라이버, 및 상기 배터리부와 연결되어 상기 다수의 배터리 셀들의 전압, 온도를 모니터링하기 위한 아날로그 프런트 엔드를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리부와, 외부 전원을 상기 배터리부의 양극 단자 및 음극 단자에 인가하거나, 상기 외부 전원을 상기 배터리부 중 탑 셀을 제외한 나머지 배터리 셀들에 인가하기 위한 스위치부 및 상기 탑 셀을 최대 충전 용량으로 충전시키기 위한 DC-DC 컨버터를 포함한다.
상기 DC-DC 컨버터는 상기 외부 전원을 변환하여 상기 다수의 배터리 셀들 각각의 최대 충전 용량보다 같거나 큰 전압을 상기 탑 셀로 출력한다.
상기 스위치부는 상기 외부 전원을 상기 배터리부의 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자에 인가하여 상기 배터리부를 1차 충전하고, 상기 외부 전원을 상기 나머지 배터리 셀들에 인가하여 상기 나머지 배터리 셀들을 최대 충전 용량으로 2차 충전한다.
본 발명에 따르면, 다수의 배터리를 포함하는 패터리 팩 충전 동작시 외부 전원을 이용하여 다수의 배터리들을 1차 충전한 후, 다수의 배터리들 중 일부를 제외한 나머지 배터리들을 최대 충전량까지 충전함으로써 배터리 팩의 충전 용량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 마이크로 컴퓨터(MCU; 110), 게이트 드라이버(120), 충방전 회로(130), DC-DC 컨버터(140), 스위치부(150), 배터리부(160), 아날로그 프런트 엔드(Analog Front End, 이하 'AFE'라 한다; 170), 전류 측정부(180), 단자부(190)를 포함한다.
배터리부(160)를 제외한 마이크로 컴퓨터(MCU; 110), 게이트 드라이버(120), 충방전 회로(130), DC-DC 컨버터(140), 스위치부(150), 아날로그 프런트 엔드(Analog Front End, 이하 'AFE'라 한다; 170), 전류 측정부(180), 단자부(190)는 충전 회로로 정의할 수 있다.
마이크로 컴퓨터(MCU; 110)는 배터리부(160)의 충방전 제어, 배터리부(160)에 포함된 배터리 셀들의 밸런싱 제어 등의 기능을 수행한다. 또한 마이크로 컴퓨터(MCU; 110)는 전류 측정부(180)로부터 전류에 대응하는 배터리부(160)의 충전 상태(SOC: State of Charge)를 모니터링한다.
게이트 드라이버(120)는 마이크로 컴퓨터(MCU; 110)에 의해 제어되며, 충방전 동작시 마이크로 컴퓨터(MCU; 110)에서 출력되는 제어 신호들에 응답하여 충방전 회로(130)를 동작시키기 위한 게이트 신호들을 출력한다.
충방전 회로(130)는 충전 스위치(131) 및 방전 스위치(132)를 포함한다.
충전 스위치(131)는 단자부(190)의 충전 단자(191)와 연결된 노드(NA)와 DC-DC 컨버터(140)와 연결되는 노드(NB) 사이에 연결된다. 충전 스위치(131)는 충전 동작시 게이트 드라이버(120)에서 출력되는 게이트 신호에 응답하여 노드(NA)와 노드(NB)를 전기적으로 연결하여 전류 패스를 형성한다. 충전 스위치(131)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET1'라 한다)로 구성할 수 있다.
방전 스위치(132)는 단자부(190)의 방전 단자(192)와 노드(NA) 사이에 연결된다. 방전 스위치(132)는 방전 동작시 게이트 드라이버(120)에서 출력되는 게이트 신호에 응답하여 노드(NA)와 방전 단자(192)를 전기적으로 연결하여 전류 패스를 형성한다. 방전 스위치(132)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET2'라 한다)로 구성할 수 있다.
DC-DC 컨버터(140)는 노드(NB)와 배터리부(160) 사이에 연결되며, 충전 동작시 충전 스위치(131)를 통해 입력되는 고전압(예를 들어 57V)을 저전압(예를 들어 4.2V)으로 변환하여 배터리부(160)로 출력한다. DC-DC 컨버터(140)에서 변환되어 출력되는 전압은 배터리부(160)에 포함된 다수의 배터리 셀들 각각의 최대 충전 전압(Vmax)과 같거나 높은것이 바람직하다.
스위치부(150)는 노드(NB)와 배터리부(160)의 탑 셀(top cell; 1S)과 연결된 노드(NC)를 전기적으로 연결하거나, 노드(NB)와 배터리부(160)의 탑 셀(top cell; 1S)과 두 번째 배터리 셀(2S) 사이의 노드(ND)를 전기적으로 연결한다. 즉, 스위치부(150)는 충전 동작시 노드(NB)와 배터리부(160)의 탑 셀(1S)을 전기적으로 연결하여 배터리부(160)의 모든 배터리 셀들(1S 내지 nS)을 충전 스위치(131)를 통해 입력되는 고전압(예를 들어 57V)을 이용하여 충전시키거나, 노드(NB)와 탑 셀(1S)과 두 번째 배터리 셀(2S) 사이를 전기적으로 연결하여 탑 셀(1S)을 제외한 나머지 배터리 셀들(2S 내지 nS)들을 충전 스위치(131)를 통해 입력되는 고전압(예를 들어 57V)을 이용하여 충전시킨다.
스위치부(150)는 스위칭 소자(SW) 및 퓨즈들(FU1 및 FU2)을 포함하여 구성된다. 스위칭 소자(SW)는 노드(NC)에 연결된 퓨즈(FU1)와 노드(NB)를 전기적으로 연결하거나, 노드(ND)에 연결된 퓨즈(FU2)와 노드(NB)를 전기적으로 연결시킨다.
배터리부(160)는 배터리 팩(100)이 장착되는 전자기기에 저장된 전원을 공급한다. 또한, 충전기가 배터리 팩(100)에 연결되는 경우 배터리부(160)는 단자부(190)를 통해 입력되는 외부 전류에 의하여 충전된다. 이와 같은 배터리부(160)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀들(1S 내지 nS)을 포함하도록 구성된다. 적어도 하나 이상의 배터리 셀들(1S 내지 nS)은 배터리부(160)의 양극 단자(B+)와 음극 단자(B-)에 직렬 연결될 수 있다. 배터리 셀들(1S 내지 nS) 각각은 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH : nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등의 충전 가능한 이차 전지일 수 있다.
아날로그 프런트 엔드(170)는 배터리부(160)와 연결되고, 배터리부(160)에 포함된 각 배터리 셀들(1S 내지 nS)에 대한 정보를 모니터링한다. 예를 들어 각 배터리 셀들(1S 내지 nS)의 전압, 온도등을 모니터링한 데이터를 측정하여 충방전 동작의 이상 유무를 확인한다.
전류 측정부(180)는 배터리부(160)의 음극 단자(B-)와 연결된 노드(NE)를 통해 배터리부(160)의 충전 상태(SOC: State of Charge)를 측정한다.
전류 측정부(180)는 배터리부(160)의 음극 단자(B-)와 연결된 저항(R) 및 저항(R)의 양단(NE 및 NF)과 연결된 센싱부(181)를 포함한다. 센싱부(181)는 저항(R)을 통해 흐르는 전류량을 측정하여 배터리부(160)의 충전 상태(SOC: State of Charge)를 측정하여 측정 데이터를 마이크로 컴퓨터(MCU; 110)로 출력한다.
단자부(190)는 배터리 팩(100)과 외부 장치를 연결한다. 여기서 외부 장치는 전자기기, 자동차, 전기 자동차 혹은 충전기 등일 수 있다. 단자부(190)는 양극 단자(191), 방전 단자(192) 및 음극 단자(193)를 포함하며, 마이크로 컴퓨터(MCU; 110)로 부터 데이터를 입력하기 위한 통신 단자(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한 양극 단자(191)와 방전 단자(192)를 하나의 단자로 구성하거나, 방전 단자(192)와 음극 단자(193)를 하나의 단자로 구성할 수 있다. 이때 방전 동작시 양극 단자(191) 또는 음극 단자(193)에 인가되는 전원을 변경한다.

도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)의 충전 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예에서는 배터리부(160)가 14개의 배터리 셀들(1S 내지 14S)을 포함하고, 각 배터리 셀들의 최대 충전 상태가 4.2V이며, 외부 장치에서 인가되는 충전 전압이 최대 57V인 경우를 일예로 설명하도록 한다.
일반적인 충전 방법을 사용할 경우, 14개의 배터리 셀들(1S 내지 14S)이 외부 장치에서 인가되는 충전 전압(57V)에 의해 각각 약 4.07V의 전압으로 충전되며, 이로 인해 최대 충전 상태가 4.2V인 각 배터리 셀들은 약 97%의 충전 상태가 된다. 이는 이상적인 경우이며, 각 배터리 셀들은 누설 전류 및 방전 동작에 의해 약 90프로의 충전 상태가 될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 충전 방법은 다음과 같다.
마이크로 컴퓨터(MCU; 110)는 배터리부(160)의 충전 동작 시 제어 신호를 출력하여 게이트 드라이버(120)가 게이트 신호를 출력하도록 제어한다. 충전 스위치(131)는 게이트 드라이버(120)에서 출력되는 게이트 신호에 응답하여 충전 단자(191)를 통해 입력되는 고전압(57V)을 스위치부(150)로 출력한다.
이때 스위치부(150)는 스위칭 동작을 수행하여 노드(NB)와 배터리부(160)의 양극 단자(B+)를 연결한다. 이때 배터리부(160)의 음극 단자(B-)는 음극 단자(193)를 통해 그라운드 전압이 인가된다. 따라서 배터리부(160)의 배터리 셀들(1S 내지 14S)은 각각 각각 약 4.07V의 전압으로 1차 충전된다.
이 후, 스위치부(150)는 스위칭 동작을 수행하여 노드(NB)와 배터리부(160)의 양극 단자(B+)를 차단하는 동시에 노드(NB)와 배터리부(160)의 탑 셀(1S)와 두번째 배터리 셀(2S) 사이의 노드(ND)를 연결한다. 따라서, 배터리 셀들(2S 내지 14S)은 충전 단자(191)를 통해 입력되는 고전압(57V)에 의해 최대 충전 상태인 4.2V까지 2차 충전된다.
이때, DC-DC 컨버터(140)는 노드(NB)를 통해 인가되는 고전압(57V)을 저전압(4.2V)로 변환하여 배터리부(160)의 탑 셀(1S)에 인가한다. 이로 인하여 약 4.07V로 충전된 탑 셀(1S)은 4.2V까지 2차 충전된다.
따라서 모든 배터리 셀들(1S 내지 14S)는 각 배터리 셀들의 최대 충전 상태인 4.2V로 충전된다.
이 후, 스위치부(150)는 스위칭 동작을 수행하여 노드(NB)와 노드(ND)의 연결을 차단하는 동시에 노드(NB)와 배터리부(160)의 양극 단자(B+)를 다시 연결한다.
상술한 스위치부(150)의 스위칭 동작은 빠른 스위칭 동작(예를 들어 1nS 내지 9nS)을 수행하는 것이 바람직하다. 만약 스위칭 동작이 늦을 경우 방전 단자(192)는 충전 전압이 낮다고 판단하게 되고 이로 인하여 충전 동작을 중단시킬 수 있다.
도 2은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(200)은 마이크로 컴퓨터(MCU; 210), 게이트 드라이버(220), 충방전 회로(230), 스위치부(240), 배터리부(250), 아날로그 프런트 엔드(Analog Front End, 이하 'AFE'라 한다; 260), 전류 측정부(270), 단자부(280)를 포함한다.
배터리부(250)를 제외한 마이크로 컴퓨터(MCU; 210), 게이트 드라이버(220), 충방전 회로(230), 스위치부(240), 아날로그 프런트 엔드(Analog Front End, 이하 'AFE'라 한다; 260), 전류 측정부(270), 단자부(280)는 충전 회로로 정의할 수 있다.
마이크로 컴퓨터(MCU; 210)는 배터리부(250)의 충방전 제어, 배터리부(250)에 포함된 배터리 셀들의 밸런싱 제어 등의 기능을 수행한다. 또한 마이크로 컴퓨터(MCU; 210)는 전류 측정부(270)로부터 전류에 대응하는 배터리부(250)의 충전 상태(SOC: State of Charge)를 모니터링한다.
게이트 드라이버(220)는 마이크로 컴퓨터(MCU; 210)에 의해 제어되며, 충방전 동작시 마이크로 컴퓨터(MCU; 210)에서 출력되는 제어 신호들에 응답하여 충방전 회로(230)를 동작시키기 위한 게이트 신호들을 출력한다.
충방전 회로(230)는 충전 스위치(231) 및 방전 스위치(232)를 포함한다.
충전 스위치(231)는 단자부(280)의 충전 단자(281)와 연결된 노드(NA)와 스위치부(240)와 연결되는 노드(NB) 사이에 연결된다. 충전 스위치(231)는 충전 동작시 게이트 드라이버(220)에서 출력되는 게이트 신호에 응답하여 노드(NA)와 노드(NB)를 전기적으로 연결하여 전류 패스를 형성한다. 충전 스위치(231)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET11'라 한다)로 구성할 수 있다.
방전 스위치(232)는 단자부(280)의 방전 단자(282)와 노드(NA) 사이에 연결된다. 방전 스위치(232)는 방전 동작시 게이트 드라이버(220)에서 출력되는 게이트 신호에 응답하여 노드(NA)와 방전 단자(292)를 전기적으로 연결하여 전류 패스를 형성한다. 방전 스위치(232)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET12'라 한다)로 구성할 수 있다.
스위치부(240)는 노드(NB)와 배터리부(250)의 양극 단자(B+)와 전기적으로 연결하거나, 노드(NB)와 배터리부(250)의 탑 셀(top cell; 1S)과 두 번째 배터리 셀(2S) 사이의 노드(NC)를 전기적으로 연결한다. 즉, 스위치부(240)는 충전 동작시 노드(NB)와 배터리부(250)의 양극 단자(B+)를 전기적으로 연결하여 배터리부(250)의 모든 배터리 셀들(1S 내지 nS)을 충전 스위치(231)를 통해 입력되는 고전압(예를 들어 57V)을 이용하여 충전시키거나, 노드(NB)와 탑 셀(1S)과 두 번째 배터리 셀(2S) 사이를 전기적으로 연결하여 탑 셀(1S)을 제외한 나머지 배터리 셀들(2S 내지 nS)들을 충전 스위치(131)를 통해 입력되는 고전압(예를 들어 57V)을 이용하여 충전시킨다.
스위치부(240)는 스위칭 소자(SW) 및 퓨즈들(FU11 및 FU12)을 포함하여 구성된다. 스위칭 소자(SW1)는 배터리부(250)의 양극 단자(B+)에 연결된 퓨즈(FU11)와 노드(NB)를 전기적으로 연결하거나, 노드(NC)에 연결된 퓨즈(FU12)와 노드(NB)를 전기적으로 연결시킨다.
배터리부(250)는 배터리 팩(200)이 장착되는 전자기기에 저장된 전원을 공급한다. 또한, 충전기가 배터리 팩(200)에 연결되는 경우 배터리부(250)는 단자부(280)를 통해 입력되는 외부 전류에 의하여 충전된다. 이와 같은 배터리부(250)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀들(1S 내지 nS)을 포함하도록 구성된다. 적어도 하나 이상의 배터리 셀들(1S 내지 nS)은 배터리부(250)의 양극 단자(B+)와 음극 단자(B-)에 직렬 연결될 수 있다. 배터리 셀들(1S 내지 nS) 각각은 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH : nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등의 충전 가능한 이차 전지일 수 있다.
아날로그 프런트 엔드(260)는 배터리부(250)와 연결되고, 배터리부(250)에 포함된 각 배터리 셀들(1S 내지 nS)에 대한 정보를 모니터링한다. 예를 들어 각 배터리 셀들(1S 내지 nS)의 전압, 온도등을 모니터링한 데이터를 측정하여 충방전 동작의 이상 유무를 확인한다.
전류 측정부(270)는 배터리부(250)의 음극 단자(B-)와 연결된 노드(ND)를 통해 배터리부(250)의 충전 상태(SOC: State of Charge)를 측정한다.
전류 측정부(270)는 배터리부(250)의 음극 단자(B-)와 연결된 저항(R1) 및 저항(R1)의 양단(ND 및 NE)과 연결된 센싱부(271)를 포함한다. 센싱부(271)는 저항(R1)을 통해 흐르는 전류량을 측정하여 배터리부(250)의 충전 상태(SOC: State of Charge)를 측정하여 측정 데이터를 마이크로 컴퓨터(MCU; 210)로 출력한다.
단자부(280)는 배터리 팩(200)과 외부 장치를 연결한다. 여기서 외부 장치는 전자기기, 자동차, 전기 자동차 혹은 충전기 등일 수 있다. 단자부(280)는 양극 단자(281), 방전 단자(282) 및 음극 단자(283)를 포함하며, 마이크로 컴퓨터(MCU; 210)로 부터 데이터를 입력하기 위한 통신 단자(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한 양극 단자(281)와 방전 단자(282)를 하나의 단자로 구성하거나, 방전 단자(282)와 음극 단자(283)를 하나의 단자로 구성할 수 있다. 이때 방전 동작시 양극 단자(281) 또는 음극 단자(283)에 인가되는 전원을 변경한다.
도 2을 참조하여, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(200)의 충전 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예에서는 배터리부(250)가 14개의 배터리 셀들(1S 내지 14S)을 포함하고, 각 배터리 셀들의 최대 충전 상태가 4.2V이며, 외부 장치에서 인가되는 충전 전압이 최대 57V인 경우를 일예로 설명하도록 한다.
일반적인 충전 방법을 사용할 경우, 14개의 배터리 셀들(1S 내지 14S)이 외부 장치에서 인가되는 충전 전압(57V)에 의해 각각 약 4.07V의 전압으로 충전되며, 이로 인해 최대 충전 상태가 4.2V인 각 배터리 셀들은 약 97%의 충전 상태가 된다. 이는 이상적인 경우이며, 각 배터리 셀들은 누설 전류 및 방전 동작에 의해 약 90프로의 충전 상태가 될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 충전 방법은 다음과 같다.
마이크로 컴퓨터(MCU; 210)는 배터리부(250)의 충전 동작 시 제어 신호를 출력하여 게이트 드라이버(220)가 게이트 신호를 출력하도록 제어한다. 충전 스위치(231)는 게이트 드라이버(220)에서 출력되는 게이트 신호에 응답하여 충전 단자(281)를 통해 입력되는 고전압(57V)을 배터리부(250)의 양극 단자(B+)로 출력한다. 이때 배터리부(160)의 음극 단자(B-)는 단자부(280)의 음극 단자(283)를 통해 그라운드 전압이 인가된다. 따라서 배터리부(250)의 배터리 셀들(1S 내지 14S)은 각각 각각 약 4.07V의 전압으로 1차 충전된다.
이 후, 스위치부(150)는 스위칭 동작을 수행하여 노드(NB)와 배터리부(250)의 양극 단자(B+)를 차단하는 동시에 노드(NB)와 배터리부(250)의 탑 셀(1S)와 두번째 배터리 셀(2S) 사이의 노드(NC)를 연결한다. 따라서, 배터리 셀들(2S 내지 14S)은 충전 단자(281)를 통해 입력되는 고전압(57V)에 의해 최대 충전 상태인 4.2V까지 2차 충전된다.
이 후, 스위치부(240)는 스위칭 동작을 수행하여 노드(NB)와 노드(NC)의 연결을 차단하는 동시에 노드(NB)와 배터리부(250)의 양극 단자(B+)를 다시 연결한다. 이로 인하여 14개의 배터리 셀들(1S 내지 14S) 중 13개의 배터리 셀들(2S 내지 14S)이 최대 충전 상태인 4.2V까지 충전되며, 탑 셀(1S)만이 4.07)로 충전된다. 또한 배터리 셀들(2S 내지 14S)의 충전 전압이 탑 셀(1S)의 충전 전압보다 높으므로, 배터리 셀들(2S 내지 14S)의 일부 전류가 탑 셀(1S)로 인가되어 충전 전압이 평균화된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100, 200 : 배터리 팩
110, 210 : 마이크로 컴퓨터
120, 220 : 게이트 드라이버
130, 230 : 충방전 회로
140 : DC-DC 컨버터
150, 240 : 스위치부
160, 250 : 배터리부
170, 260 : 아날로그 프런트 엔드
180, 270 : 전류 측정부
190, 280 : 단자부

Claims (10)

  1. 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리부; 및
    외부 전원을 이용하여 상기 배터리부를 충전시키기 위한 충전 회로를 포함하며,
    상기 충전 회로는 상기 외부 전원을 이용하여 상기 다수의 배터리 셀들을 1차 충전한 후, 상기 다수의 배터리 셀들 중 일부 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀들을 최대 충전 용량으로 2차 충전시키는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로는 상기 일부 배터리 셀들을 상기 최대 충전 용량으로 충전시키기 위한 DC-DC 컨버터를 포함하는 배터리 팩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 외부 전원을 변환하여 상기 다수의 배터리 셀들 각각의 최대 충전 용량보다 같거나 큰 전압으로 상기 일부 배터리 셀들을 충전시키는 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로는 상기 외부 전원을 상기 배터리부의 양극 단자 및 음극 단자에 인가하거나, 상기 외부 전원을 상기 배터리부 중 탑 셀을 제외한 상기 나머지 배터리 셀들에 인가하기 위한 스위치부를 포함하는 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 회로는 상기 외부 전원이 인가되는 단자부;
    상기 단자부와 연결되며, 게이트 신호에 응답하여 상기 외부 전원을 상기 배터리부로 전송하기 위한 충방전 회로;
    충전 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 출력하는 마이크로 컴퓨터;
    상기 제어 신호에 응답하여 상기 게이트 신호를 출력하기 위한 게이트 드라이버; 및
    상기 배터리부와 연결되어 상기 다수의 배터리 셀들의 전압, 온도를 모니터링하기 위한 아날로그 프런트 엔드를 포함하는 배터리 팩.
  6. 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리부;
    외부 전원을 상기 배터리부의 양극 단자 및 음극 단자에 인가하거나, 상기 외부 전원을 상기 배터리부 중 탑 셀을 제외한 나머지 배터리 셀들에 인가하기 위한 스위치부; 및
    상기 탑 셀을 최대 충전 용량으로 충전시키기 위한 DC-DC 컨버터를 포함하는 배터리 팩.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 외부 전원을 변환하여 상기 다수의 배터리 셀들 각각의 최대 충전 용량보다 같거나 큰 전압을 상기 탑 셀을 출력하는 배터리 팩.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위치부는 상기 외부 전원을 상기 배터리부의 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자에 인가하여 상기 배터리부를 1차 충전하고,
    상기 외부 전원을 상기 나머지 배터리 셀들에 인가하여 상기 나머지 배터리 셀들을 최대 충전 용량으로 2차 충전하는 배터리 팩.
  9. 다수의 배터리 셀들을 외부 전원을 이용하여 최대 충전 전압보다 낮은 제1 전압 레벨로 1차 충전하는 단계; 및
    상기 외부 전원을 이용하여 상기 다수의 배터리 셀들 중 탑 셀을 제외한 나머지 배터리 셀들을 상기 최대 충전 전압으로 2차 충전하는 단계를 포함하는 패터리 팩의 충전 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 나머지 배터리 셀들을 2차 충전하는 단계 이 후, 상기 외부 전원을 상기 최대 충전 전압과 같거나 높은 전압으로 다운 컨버팅한 전압으로 상기 탑 셀을 상기 최대 충전 전압으로 2차 충전하는 단계를 더 포함하는 패터리 팩의 충전 방법.
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