KR20180109404A - 극초단파 무선 전력 전송 방식을 이용한 리튬 배터리의 병렬 개별 충전 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극초단파 무선 전력 전송 방식을 이용한 리튬 배터리의 병렬 개별 충전 장치 및 방법을 공개한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 개별 충전 장치는, 직렬로 연결된 리튬 배터리 셀들 간의 균일 충전을 위해서, 각 셀을 위한 충전 장치를 개별적으로 구비 하고, 각 충전 장치들을 각 배터리 셀에 개별 연결하여 배터리를 병렬로 충전하기 위해 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한다. 또한, 상기 개별 충전 장치는 발진부, 안테나부, 정류부, 전류 센싱부, 및 배터리부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 정류부는 정류회로 및 평활회로를 포함할 수 있다.

Description

극초단파 무선 전력 전송 방식을 이용한 리튬 배터리의 병렬 개별 충전 장치 및 방법{Apparatus and method for charging lithium battery}

본 발명은 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 극초단파 무선 전력 전송 방식을 이용한 리튬 배터리의 병렬 개별 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 직렬 충전 방식으로 충전 하는 동안 발생하기 쉬운 배터리 셀간의 전압 불균일 및 직렬 방전으로 방전 하는 동안 발생하기 쉬운 배터리 셀간의 전압 불균일을 해소 하기 위한, 병렬 개별 충전식 안전 충전에 관한 것이다. 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한 병렬 개별 충전 기술을 개발하여 각 셀 별로 제어함으로써 셀간의 균일 충전 및 균일 방전을 달성하려는 기술이다.

최근 리튬이온 전지의 수요는 1994년 등장한 이래 폭발적으로 증가하고 있으며, 현존하는 이차전지 중 가장 높은 단위 전지전압을 갖고 있다. 리튬이온 전지는 에너지 밀도가 우수하고, 단위 전지전압이 3.0V-3.7V로 높기 때문에 휴대형 제품에 적합하다는 장점이 있어서 자동차용 배터리뿐만 아니라 핸드폰용 배터리로도 많이 사용되고 있다. 이 배터리의 단점은 과전류, 과충방전에 약하고, 과충전, 과방전, 과전류로 인한 폭발이나 발화의 위험성 이 크기 때문에 위험시 전류를 차단하는 보호회로가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 병렬 충전 방식의 부피와 무게 크게 하는 변압기를 사용 하지 않고 배터리 셀들의 기존의 일괄 직렬 충전 방식에서의 셀 간 불 균일 충전 문제를 해결하기 위한 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한 병렬 개별 충전 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리 셀들 간의 균일 충전을 위해서 병렬 충전 구조를 채용 하는데 변압기를 사용하지 않기 위해 극초단파로 안테나를 통해 전력을 전송하고 각셀 별로 개별 제어 하는 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한 병렬 개별 충전 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 개별 충전 장치는, 직렬로 연결된 리튬 배터리 셀들 간의 균일 충전을 위해서, 각 셀을 위한 충전 장치를 개별적으로 구비 하고, 각 충전 장치들을 각 배터리 셀에 개별 연결하여 배터리를 병렬로 충전하기 위해 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한다.

또한, 상기 개별 충전 장치는 발진부, 안테나부, 정류부, 전류 센싱부, 및 배터리부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 정류부는 정류회로 및 평활회로를 포함할 수 있다.

본 발명은 기존의 병렬 충전 방식의 부피와 무게 크게 하는 변압기를 사용 하지 않고 배터리 셀들의 기존의 일괄 직렬 충전 방식에서의 셀 간 불 균일 충전 문제를 해결하기 위한 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한 병렬 개별 충전 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 배터리 셀들 간의 균일 충전을 위해서 병렬 충전 구조를 채용 하는데 변압기를 사용하지 않기 위해 극초단파로 안테나를 통해 전력을 전송하고 각셀 별로 개별 제어 하는 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한 병렬 개별 충전 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 직렬 충전 방식의 구성도이다.
도 2은 일반적인 변압기를 이용한 병렬 개별 충전 방식의 구성도 이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극초단파 전력전송 방식을 활용한 병렬 개별 충전 장치의 구성도 이다.
도 4은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극초단파 전력전송 방식의 PAD 안테나 설계 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

리튬이온 배터리를 높은 전압을 만들기 위해서는 개별 배터리 셀들을 직렬 연결해야 한다. 또, 직렬 연결된 배터리 셀들을 충전하기 위해서 도1과 같은 단일 충전 시스템을 배터리 시스템의 양단에 직렬 연갈 하면 된다. 이를 직렬 일괄 충전방식이라고 한다. 이를 위해서는 AC 전원을 정류 장치에 의해 DC 전원으로 바꾼 후, DC-DC 변환 회로에 의해 제어 되어 직렬로 인가한다.

이 경우, 인가된 전체 직류 전압은 배터리의 개수로 나눠져서 개별 배터리 셀에 인가하고, 이 개별 전압이 목표 전압이 되어 배터리 셀들이 충전되어 간다. 이와 같은 기존의 직렬 일괄 충전 방식은 다수 배터리 셀의 직렬 연결 구조 이무로 축전지 시스템(팩)에서 충방전 사이클이 계속 되면 각각의 배터리 셀이 가지는 특성 인자가 서로 동일하지 목하게 되고 이에 따라 배터리 셀의 충전 전압이 불균일 상태가 된다.

이러한 배터리 셀 간의 충전 불균일 현상은 방전 심도가 높을 경우 더욱 심화되어 결국 과충전된 셀이 발생하고, 해당 셀의 수명은 단축하게 되며, 리튬이온 배터리의 경우 폭발과 같은 심각한 상황의 요인이 된다.

본 발명은 통상의 직렬 일괄 충전 방식과 다르게 소형 충전장치를 각 배터리 셀들을 위해 개별적으로 구비하고, 배터리 셀에 개별 연결하여 병렬 개별 충전이 가능하게 시스템으로 각 배터리 셀의 충전 상태를 개별적으로 진단하고, 충전 속도 및 충전량을 개별적으로 관리하게 되므로, 충전의 균일성 및 충전 안전성 면에서 매우 효과적인 방법이다.

기존의 병렬 충전 방식에서는 셀의 개수만큼의 충전 장치를 구미해야 하므로 부피와 무게가 크게 증가할 수 있다는 우려가 있다. 또한 충전 장치의 부피와 무게를 결정하는 변압기가 무게와 부피가 매우 크고 가격이 비싸서 배터리 보호 장치로 채용을 하지 않는다.

극초단파는 직진성이 강하고 안테나 빔패턴이 협소하다. 주파사가 높을 경우 안테나의 길이는 짧아진다.

도 3에서 오실레이터 부에서 극초단파(2Ghz ~ ) 이상의 주파수를 발진 하고 증폭기를 통해 전력을 증폭 한다. 증폭된 전력을 안테나를 통해 정류 회로부의 안테나부로 전송을 하게 된다. 도 4는 극초단파로 전력을 안테나로 전송할 경우 안테나의 길이를 작게 설계가 가능하며, PCB 패턴으로 인쇄 설계가 가능 하다. 이는 별도의 변압기 같은 부품이 필요 없게 만들 수 있으며, 비용을 절감 할 수 있다.

<충전 동작 순서>

1) 오실레이터 부로부터 극초단파 발생.

2) 전력 증폭기로부터 증폭.

3) 안테나부로 전력 송신.

4) 배터리 안테나 부 전력 수신.

5) 배터리 정류부를 통한 DC 변환.

6) 배터리 충전(리튬 이온 기준 4.2V).

7) 전류 센싱부를 통한 전압 센싱.

8) 프로세서 1에서 전압 센싱 후 전류량 확인.

9) 배터리부의 CC Mode CV 모드 진입 및 전류량 낮아 질 경우 전력 증폭부 전력증폭을 낮춰 소비 전력을 줄임.

<방전 동작 순서>

1) 방전 Power +, Power - 방전 시작

2) 각 배터리 셀의 전압을 프로세서 2를 통해 확인.

3) 방전중 배터리 셀의 전압이 틀어질 경우 방전 밸런스 제어 스위치 On

4) 프로세서 1에서 방전 중 틀어진 셀의 증폭기 On후 배터리 방전 밸런스를 맞추면서 각 배터리 셀이 동일하게 방전 되도록 프로세서에서 제어 함.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1000 : 개별충전장치
1110 : 정류회로
1120 : 정류전압측정용 분압회로
1230 : DC-DC 변환회로
1240 : 배터리 전압 측정용 분압회로
1250 : 배터리 전압 측정용 스위치 어레이
1160 : 전류 측정용 저항 회로
9000 : 배터리 셀
10000: 병렬 개별 충전 장치

Claims (3)

1. 직렬로 연결된 리튬 배터리 셀들 간의 균일 충전을 위해서, 각 셀을 위한 충전 장치를 개별적으로 구비 하고, 각 충전 장치들을 각 배터리 셀에 개별 연결하여 배터리를 병렬로 충전하기 위해 극초단파 무선 전력 전송 방식을 활용한 병렬 개별 충전 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 개별 충전 장치는
   발진부, 안테나부, 정류부, 전류 센싱부, 및 배터리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 병렬 개별 충전 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 정류부는
   정류회로 및 평활회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 개별 충전 장치.

Images