KR20220026184A

KR20220026184A - 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20220026184A
Application number: KR1020200106907A
Authority: KR
Inventors: 조용현; 이용석
Original assignee: 주식회사 디엔비글로벌
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-04

Abstract

본 발명은, 복수의 셀들을 포함하는 리튬 배터리의 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로 DC 전원을 공급받아 상기 리튬 배터리를 구성하는 복수의 셀들에 대해 각 셀별로 충전을 수행하는 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들; 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들로부터 데이터를 수집하고, 각 셀에 대한 충전 제어 신호를 생성하는 중앙 처리부; 및 상기 중앙 처리부로부터 각 셀에 대한 충전 제어 신호를 수신하고, 상기 수신된 충전 제어 신호에 기반하여 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들 중 해당 셀의 셀 충전 및 셀별 검출부를 제어하는 충전 제어부;를 포함하고, 상기 중앙 처리부는, 충전이 개시되면 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들로부터 수집된 데이터로부터 각 셀별 배터리 초기 상태 정보를 확인하고, 저전압 상태의 셀이 존재할 경우, 해당 셀에 대한 저전압 충전을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING A CHARGING OF A LITHIUM BATTERY FOR A DRONE AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 배터리 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 일단 한번 방전해 버리면 다시 쓸 수 없는 배터리를 1차 전지라 하고, 방전되면 다시 재충전하여 계속 사용할 수 있는 배터리 등 전지를 2차 전지라 한다.

최근에 피처폰(feature phone), 스마트폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants)폰, 디지털 카메라, 드론(drone), 전동 킥보드(electronic kick board) 등과 같은 다양한 형태의 전자 장치가 양산됨에 따라 2차 전지의 수요가 급증하고 있다. 이러한 전자 장치에 사용되는 2차 전지는 안정성이 높고 두께가 얇아 휴대하기 편리한 특성이 요구되는 한편, 짧은 시간의 충전으로 오래 유지될 수 있는 특성이 요구된다.

2차 전지로는 주로 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등 리튬이차전지가 주로 사용되고 있으며, 리튬이차전지는 일반적으로 정전류(constant current mode)-정전압(constant voltage mode) 충전방법(이하, ‘CC-CV 충전방법’이라 칭함)을 이용하여 충전한다. 상기 CC-CV 충전방법은 먼저 정전류로 충전을 하다가 배터리의 전압이 완충전압(즉, 배터리 충전 완료시 목표로 하는 전압)에 도달하면, 정전압충전으로 전환하여 충전전류를 낮춰서 단자전압을 유지하면서 남은 용량을 충전하는 방식이다. 즉, 상기 방법은 충전전류를 높일수록 충전 배터리의 전압 상승 속도가 빨라지는 특성을 이용한 것으로, 처음에 충전 전류를 높게 하여 완충전압까지 배터리를 급속으로 충전한 후 남은 용량을 정전압으로 충전하는 방식이다.

도 1은 리튬 배터리 충전 장치의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 리튬 배터리 충전 장치(100)는, 전압 검출부(111), 전류 검출부(112), 저항(114), 충전 전력 제어부(130), 방전 전력 제어부(140), 및 상기 전압 검출부(111) 및 상기 전류 검출부(112)에서 검출된 전압 및 전류에 기반하여 상기 충전 전력 제어부(130) 및 방전 전력 제어부(140)를 제어하는 중앙 처리부(120)를 포함하며, 전원 공급부(150)의 양(+)의 단자(151) 및 음(-)의 단자(152)와 연결되어 상기 전원 공급부(150)로부터 공급되는 전력을 제어하여 2차 전지인 리튬 배터리(113)를 충전하는 충전 시스템을 구성한다. 상기 방전 전력 제어부(140)는 상기 리튬 배터리(113)에 저장된 전력을 방전시키도록 연결된 미리 설정된 임피던스를 가지는 대전력 저항(115)을 포함한다.

전압 검출부(111)는 양(+)의 단자와 음(-)의 단자가 각각 리튬 배터리(113)의 양단에 연결되어 상기 리튬 배터리(113)의 전압을 검출한 후 중앙 처리부(120)에 전달하고, 전류 검출부(112)는 양(+)의 단자와 음(-)의 단자가 배터리의 음(-)의 단자 및 그라운드에 연결되어 리튬 배터리(113)에 흐르는 전류를 검출하여 중앙 처리부(120)에 전달한다.

충전 전력 제어부(130)는 중앙 처리부(120)의 제어신호에 따라 상기 리튬 배터리(113)를 충전하기 위한 충전 전력을 제어하며, 일단이 전원 공급부(150)에 연결되고 타단은 리튬 배터리(113)의 양(+)의 단자에 연결되어, 중앙 처리부(120)에서 전달받은 제어신호에 맞게 충전전력을 제어하며, 충전시 전원 공급부(150)로부터 리튬 배터리(113)로의 전원공급을 연결(ON)하고 방전시 전원 공급부(150)에서 리튬 배터리(113)로의 전원공급을 차단 또는 단절(OFF)시킨다. 아울러, 중앙 처리부(120)의 제어신호에 따라 전원 공급부(150)에서 공급되는 전력의 형태를 요구되는 전력의 형태로 변환하여 리튬 배터리(113)로 공급한다.

방전 전력 제어부(140)는 중앙 처리부(120)의 제어명령에 따라 리튬 배터리(113)의 방전을 위한 방전 전력을 제어하며, 일단이 리튬 배터리(113)의 양(+)의 단자 및 전원 공급부(150)에 연결되고 타단은 대전력 저항(115)에 연결되어, 중앙 처리부(120)에서 전달받은 제어신호에 따라 방전시 대전력 저항(115)으로의 전원공급을 연결(ON)하고 방전 전력을 제어하여, 방전 전류량을 제어한다.

중앙 처리부(120)는, 전압 검출부(111), 전류 검출부(112), 충전 전력 제어부(130), 및 방전 전력 제어부(140)와 연결되어, 전류 추출부(111) 및 전압 추출부(112)에서 검출된 전류 및 전압에 의거하여 상기 충전 전력 제어부(130) 및 방전 전력 제어부(140)를 제어한다.

상기 리튬 배터리는 용량에 대비하여 무게가 가볍고 에너지 밀도가 높으며, 셀 당 전압이 높다는 장점이 있다. 또한, 과거의 니켈 카드뮴 전지 등에서 문제가 되었던 메모리 효과(memory effect)가 없어 관리가 쉬우며 자가 방전에 의한 전력 손실이 매우 적다는 장점이 있다.

그러나, 상기 리튬 배터리는 이러한 장점에도 불구하고 제조된 직후부터 열화(degrading)가 조금씩 시작되며, 온도에 민감하다는 단점이 있다. 아울러, 상기 리튬 배터리는 다양한 원인에 의해 배터리가 과방전될 경우 셀이 손상될 수 있는 문제가 있다.

종래의 리튬 배터리를 이용한 충전 시스템은 상기 리튬 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀들 중 하나의 셀이 손상되면 나머지 셀에 과충전이 되어 배터리의 수명 단축 및 과충전으로 인한 폭발이 발생하였다. 또한, 배터리 내부 저항이 높거나 온도가 높은 경우에도 배터리가 폭발하거나 수명이 단축되는 문제가 발생하였다. 드론에 사용되는 리튬 배터리의 경우 배터리를 충전하다가 폭발하여 화재가 발생하는 경우가 잇따르고 있으며, 사회적으로도 심각한 문제가 되고 있다.

또한, 현재 리튬 배터리를 포함한 이차 전지의 충전 방법은 DC-DC 컨버터를 이용한 CC-CV 충전방식이며, 2차 전지가 손상되어있지 않는 이상 완충전압까지 일률적으로 충전을 진행하게 된다. 이와 같은 종래의 리튬 배터리의 충전 방법은 CV 충전으로 완충되었을 경우 배터리에 내장된 BMS(battery management system)(배터리 관리 시스템) 및 PCM(pulse code modulation) 회로가 동작하여 충전 동작을 종료한다. 그러나, 외부 충격, 진동, 과부하, 온도, 습기 등의 원인으로 BMS 또는 PCM 회로가 손상되어 정상적으로 동작하지 않을 경우, 배터리 과충전으로 인핸 폭발 및 화재가 발생할 수 있다.

따라서, 드론 등에 사용되는 리튬 배터리를 충전할 때 배터리 과충전으로 인한 폭발 및 화재를 방지할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

[문헌 1] 대한민국특허공개공보 제10-2016-0063526호 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법 및 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치(주식회사 엘란기어스) 2016.06.07

따라서 본 발명의 목적은 리튬 배터리를 충전할 때, 전류 상승 대비 전압 상승폭을 자동으로 감지하여 충전 전류를 조정함으로써 과충전 및 폭발을 방지할 수 있는 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 리튬 배터리를 충전할 때, 전류 상승 대비 일정 기준 전압 상승이 안 될 경우 배터리 셀 및 BMS 상태 이상 발생으로 인식하여 자동으로 충전 전류를 낮추거나 충전 동작을 정지시킴으로써 과충전 및 폭발을 방지할 수 있는 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 리튬 배터리를 충전할 때, 배터리의 각 배터리 셀별 상태를 실시간으로 모니터링하고, 이상 상태 감지시 자동으로 충전 전류를 낮추거나 충전 동작을 정지시킴으로써 과충전 및 폭발을 방지할 수 있는 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치는, DC 전원을 공급받아 상기 리튬 배터리를 구성하는 복수의 셀들에 대해 각 셀별로 충전을 수행하는 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들; 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들로부터 데이터를 수집하고, 각 셀에 대한 충전 제어 신호를 생성하는 중앙 처리부; 및 상기 중앙 처리부로부터 각 셀에 대한 충전 제어 신호를 수신하고, 상기 수신된 충전 제어 신호에 기반하여 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들 중 해당 셀의 셀 충전 및 셀별 검출부를 제어하는 충전 제어부;를 포함하고, 상기 중앙 처리부는, 충전이 개시되면 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들로부터 수집된 데이터로부터 각 셀별 배터리 초기 상태 정보를 확인하고, 저전압 상태의 셀이 존재할 경우, 해당 셀에 대한 저전압 충전을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 충전 제어부는, 상기 저전압 상태의 셀에 대한 저전압 충전을 수행함에 따라 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하는지 여부를 확인하고, 상기 확인 결과, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하지 않는 경우 전체 셀에 대한 충전 동작을 종료시키도록 제어한다.

바람직하게는, 상기 충전 제어부는, 상기 확인 결과, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하는 경우 전체 셀에 대한 충전 동작을 정상적으로 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 충전 제어부는, 각 셀별 충전에 따라, 상기 각 셀에 대해 실시간으로 수집된 데이터에 기반하여, 설정된 이상 발생 조건 만족 여부를 확인하고, 이상 발생 조건 만족 시, 해당 셀에 대한 충전 전류 낮추어서 충전을 수행하도록 제어한다.

바람직하게는, 상기 충전 제어부는, 각 셀별로 충전이 완료된 순서로 각 셀에 대한 충전을 순차적으로 종료시키는 것을 특징으로 한다.

다른 측면에서 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 방법은, DC 전원을 공급받아 상기 리튬 배터리를 구성하는 복수의 셀들에 대해 각 셀별로 충전을 개시하는 단계; 상기 복수의 셀에 대응하는 데이터를 수집하는 단계; 상기 수집된 데이터로부터 각 셀별 배터리 초기 상태 정보를 확인하는 단계; 상기 확인 결과, 저전압 상태의 셀이 존재할 경우, 해당 셀에 대한 저전압 충전을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 방법은, 상기 저전압 상태의 셀에 대한 저전압 충전을 수행함에 따라 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하는지 여부를 확인하는 단계; 및 상기 확인 결과, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하지 않는 경우 전체 셀에 대한 충전 동작을 종료시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 방법은, 상기 확인 결과, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하는 경우 전체 셀에 대한 충전 동작을 정상적으로 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 방법은, 각 셀별 충전에 따라, 상기 각 셀에 대해 실시간으로 수집된 데이터에 기반하여, 설정된 이상 발생 조건 만족 여부를 확인하는 단계; 및 이상 발생 조건 만족 시, 해당 셀에 대한 충전 전류 낮추어서 충전을 수행하는 단계;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은, 각 셀별로 충전이 완료된 순서로 각 셀에 대한 충전을 순차적으로 종료시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 드론용 리튬 배터리를 충전할 때, 충전기와 배터리가 실시간으로 통신을 하며, 배터리에 이상 징후 발생이 인식되면 자동으로 충전 전류를 낮추어 줌으로써 배터리 화학물질 상태를 안정화시켜 과충전을 방지하거나 폭발을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 드론용 리튬 배터리를 충전할 때, 이상 징후 발생 시 전류를 낮추어도 전압이 상승되지 않으면 배터리 상태가 위험한 것으로 판단하고 자동으로 충전을 정지시킴으로써 과충전을 방지하거나 폭발을 방지할 수 있다.

또한, 종래의 배터리 관리 시스템인 BMS(battery managerment system)는 배터리 셀의 밸런스 유지를 위한 다양한 방법들을 적용하여 왔다. 그 대표적인 방법으로 저항을 통해 밸런스를 조절하는 액티브 방식과 셀간 에너지를 교환을 실시하는 패시브 방식이 있다. 그러나 이러한 방법들은 효율 및 수명 시간등의 문제가 제기되었다. 본 발명에 따르면, 에너지 교환방식 또는 저항으로 통한 충전 방식이 아닌 셀별로 충전하게 되어 위와 같은 배터리 수명. 시간 등의 문제를 해결할 수 있으며 셀별 관리감독과 충전 시간 단축 및 배터리 수명 연장이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 리튬 배터리 충전 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치의 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시 예에 따른 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬 배터리의 전압을 검출하는 전압 추출부의 회로도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬 배터리의 각 셀의 전압을 검출하는 셀별 전압 추출부의 회로도들이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬 배터리의 충전 용량과 내부 저항을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 각 전류별 셀 간 온도차를 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 배터리의 각 셀별 충전 방법을 나타내는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 배터리의 충전 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 배터리의 충전 제어 장치의 세부 회로를 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시 예에 기초하여 설명한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있는 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백히 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

한편, 후술하는 실시예에서는 설명의 편의상 리튬 배터리가 드론용 리튬 배터리인 것으로 설명하고 있으나, 본 발명의 실시예들이 드론용 리튬 배터리에 제한되는 것은 아니며, 복수의 셀들로 구성된 어떠한 형태의 리튬 배터리도 본 발명의 실시예에 적용될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에서는, 드론용 리튬 배터리의 충전시 각 셀별 초기값(예컨대, 초기 전압, 초기 온도, 내부 저항 등)을 확인하고, 특정 셀이 저전압 상태의 셀인 경우, 해당 셀에 대한 저전류 충전(예컨대, 0.5A로 충전)을 수행하고, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승(예컨대, 3V 이상으로 상승)할 경우, 해당 셀에 대한 정상적인 충전을 수행하도록 제어한다.

또한, 본 발명의 다양한 실시예에서는, 각 셀별 충전 상태를 실시간으로 확인하고, 이상 발생 조건을 만족할 경우(예컨대, 각 셀별 전압 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 온도 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 내부 저항 편차가 발생하는 경우, 전류 대비 각 셀별 전압 상승폭 이상이 발생하는 경우), 충전 전류를 하강 시켜 정상 회복 후 전류 상승에 의한 충전이 진행되도록 제어한다.

또한, 본 발명의 다양한 실시예들에서는, 드론용 리튬 배터리의 충전시 CC-CV 방식의 충전 방식을 적용할 수 있으며, 상기 방식에 따라 리튬 배터리를 충전하는 중 실시간으로 각 셀에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 기반하여 이상 발생 조건 만족 여부를 판단할 수 있다. 상기 판단 결과 이상 발생 조건 만족 시, 해당 셀에 대한 충전 전류를 하강시켜 충전할 수 있다.

후술하는 본 발명의 실시예가 적용되는, 드론용 리튬 배터리는 복수개의 작은 배터리들이 서로 병렬과 직렬로 연결되어 있다. 상기 하나의 단위 배터리들을 셀(cell)이라고 지칭하며, 대용량 배터리의 경우 다수의 셀들을 연결하여 하나의 배터리를 구성할 수 있다.

일반적으로 30~50개의 셀을 병렬과 직렬로 사용하는 배터리 팩에서는 한 팩에 들어가는 모든 셀의 용량이 같으며, 동일한 라인에서 생산되어 내부 저항까지 일정하게 맞춰진다. 이와 같이 함으로써 셀의 충전 및 방전 특성과 성능이 동일하게 균일한 성능으로 오래 사용할 수 있다.

한편, 상기 배터리를 구성하는 복수의 셀들 중 하나의 셀에 이상이 발생하더라도 직렬 또는 병렬로 연결된 형태에 따라 전체 용량은 크게 저하될 수 있다. 예컨대, 5개의 셀을 하나의 덩어리로 구성할 경우, 만약 하나의 셀이 불량이거나 외부 충격으로 망가져 기능을 상실하면, 하나의 덩어리에 대한 전체 용량을 나머지 4개의 셀이 담당해야 하므로, 이렇게 될 경우 전체 용량은 80%로 떨어지며, 직류 전기의 특성 상 상기 덩어리와 연결된 다른 덩어리의 용량도 저하되며, 전체 팩의 수명도 줄어들 수 있다. 즉, 다수의 셀들을 포함하는 배터리의 경우 하나의 셀에 이상이 발생하더라도 전체 배터리에 미치는 영향이 커서 수명이 급격히 저하될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 복수의 셀들을 포함하는 드론용 리튬 배터리에서 각 셀의 상태를 판단하여 전체 충전을 제어함으로써 리튬 배터리의 과충전을 방지할 수 있으며, 폭발 및 화재를 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 드론용 리튬 배터리의 충전 시간 단축 및 수명 연장 장치의 회로도이다. 도 2를 참조하면, 리튬 배터리 충전 장치(200)는, 복수의 셀 충전 및 셀 별 검출부들(210), 전압 추출부(211), 온도 추출부(212), 중앙 처리부(220), 충전 제어부(230), 내부 저항 추출부(240), 복수의 트렌스 절연 파워부들(250), DC입력부(260)를 포함할 수 있다.

상기 복수의 트렌스 절연 파워부(250)들은 각각 DC 입력부(260)에서 전원을 공급받아 트렌스를 통해 전압 절연이 되어 각 셀에 대응하는 셀 충전 및 셀별 검출부(210)에 전원을 공급한다. 상기 각 셀에 대응하는 셀 충전 및 셀별 검출부(210))에서 리튬 배터리(213)에 포함된 각 셀별 충전을 진행하며, 설정된 전류로 충전을 한다.

중앙 제어부(220)는 각 셀에 대응하는 셀 충전 및 셀별 검출부(210)에서 검출된 데이터를 취합하여 연산처리 한다. 이때, 상기 셀 충전 및 셀별 검출부(210)에서 검출된 데이터는, 전압, 내부 저항, 온도와 관련된 데이터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 중앙 처리부(220)는 각 셀에 대응하는 셀 충전 및 셀별 검출부(210)에서 검출된 데이터를 취합하여 전압 추출부(211)를 통해 각 셀별 전압을 추출할 수 있다. 또한, 중앙 처리부(220)는 각 셀에 대응하는 셀 충전 및 셀별 검출부(210)에서 검출된 데이터를 취합하여 온도 추출부(212)를 통해 각 셀별 온도를 추출할 수 있다. 중앙 처리부(220)는 각 셀에 대응하는 셀 충전 및 셀별 검출부(210)에서 검출된 데이터를 취합하여 내부 저항 추출부(240)를 통해 각 셀별 내부 저항을 추출할 수 있다.

중앙 제어부(220)는 상기와 같이 각 셀별로 추출된 내부 저항. 전압. 온도의 데이터를 취합하여 연산처리하고, 이에 기반하여 각 셀별 충전 제어 신호를 생성하여 충전 제어부(230)로 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 상기 중앙 제어부(220)는 후술하는 도 3a, 및 도 3b에 따라 각 셀에 대한 충전 제어를 수행하기 위한 충전 제어 신호를 생성할 수 있다.

충전 제어부(230)는 상기 중앙 처리부(220)로부터 수신된 충전 제어 신호에 따라 해당 셀에 대한 충전을 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 충전 제어부(230)는 충전을 제어하고자 해당 셀에 대응하는 셀 충전 및 셀별 검출부(210)를 제어함으로써 해당 셀에 대한 충전을 제어할 수 있다. 상기 중앙 처리부(220)의 충전 시 각 셀에 대한 충전을 제어하는 상세한 실시예들은 도 3a 및 도 3b의 설명에서 후술하기로 한다.

상기 충전 제어부(230)는 상기 중앙 처리부(220)의 제어신호에 따라 상기 리튬 배터리(213)를 충전하기 위한 충전 전력을 제어하며, 일단이 전원 공급부에 연결되고 타단은 리튬 배터리(213)의 양(+)의 단자에 연결되어, 중앙 처리부(220)에서 전달받은 제어신호에 맞게 충전전력을 제어하며, 충전시 전원 공급부로부터 리튬 배터리(213)로의 전원공급을 연결(ON)하고 방전시 전원 공급부에서 리튬 배터리(213)로의 전원공급을 차단 또는 단절(OFF)시킨다. 아울러, 중앙 처리부(220)의 제어신호에 따라 전원 공급부에서 공급되는 전력의 형태를 요구되는 전력의 형태로 변환하여 리튬 배터리(213)로 공급한다.

본 발명의 실시예에 따라, 드론용 리튬 배터리(213)는 복수의 셀들을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에서 상기 셀의 개수는 특정 개수로 제한되지 않으나, 설명의 편의상 6개의 셀을 포함하는 것으로 예를 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따라, 셀 충전 및 셀별 검출부(210)는 복수의 셀들(예컨대, 6개의 셀들)에 대해 각 셀별 전압, 온도, 내부 저항에 대응하는 데이터를 검출할 수 있다. 상기 셀 충전 및 셀별 검출부(210)는 다양한 형태의 전압 검출 회로로 구성할 수 있다. 예컨대, 도 5a 내지 도 5f에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 OP-AMP, 저항 및 콘덴서를 포함하여 구성될 수 있다. 도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬 배터리의 각 셀의 전압을 검출하는 셀 충전 및 셀 전압 검출부(210)의 회로도들이다. 상기 회로에 의해 각 셀의 양단에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. 상기 전압 검출기에 대한 회로 구성은 일반적인 기술이므로 그 구체적인 동작에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 셀 충전 및 셀별 검출부(210)는 상기 충전 제어부(230)의 제어 신호에 의해 상기 리튬 배터리(213)의 각 셀별로 충전 전력을 공급할 수 있다. 상기 충전 제어부(230)는 상기 셀 충전 및 셀별 검출부(210)를 통해 검출된 각 셀별 데이터를 중앙 처리부(220)로 전달할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시 예에 따른 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 방법의 흐름도이다. 먼저, 도 3a를 참조하면, 중앙 처리부(220)의 제어에 따라 각 셀별 충전을 시작(302 단계)할 수 있다.

충전이 시작되면, 충전 제어 장치는 본 발명의 실시예에 따라 충전 시작 시 각 셀별 배터리 초기 상태 정보를 확인(304 단계)하는 1차 충전 확인 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 각 셀별 배터리 상태를 충전 개시 전 일정 시간(예컨대, 5초) 동안 사전 스캔을 수행할 수 있다. 상기 사전 스캔을 위한 데이터는 각 셀별 초기 전압, 각 셀별 초기 온도, 각 셀별 내부 저항을 포함할 수 있다.

상기 확인 결과, 설정된 전압 이하의 저전압 상태의 셀(예컨대, 3V 이하의 셀)이 존재(306 단계)하는 경우, 해당 셀에 대해서는 일반적인 충전 전류를 공급하지 않고 상대적으로 더 낮은 전류(예컨대 0.5A)에 의한 저전류 충전 동작을 수행(308 단계)할 수 있다. 이때, 저전압 상태가 아닌 셀에 대해서는 정상적인 전류에 의한 충전 동작을 수행할 수 있다.

상기 저전압 상태의 셀에 대한 저전류 충전 진행에 따라 해당 셀의 전압이 상승하여 정상적인 전압(예컨대, 3V)이상 충전이 된 경우(310 단계), 다른 셀과 마찬가지로 각 셀별 정상적인 충전을 진행(312 단계)할 수 있다.

상기 저전압 상태의 셀에 대한 저전류 충전 진행에도 불구하고 해당 셀의 전압이 정상적인 전압(예컨대, 3V)만큼 상승하지 않을 경우 위험 상태로 판단하여 전체 충전 동작을 종료한다.

도 3b를 참조하면, 정상적인 충전이 진행되면, 충전 제어 장치의 중앙 처리부(220)는 설정된 주기 마다 또는 실시간으로 각 셀별 충전 상태(예컨대, 2차 충전 안전 상태)를 확인(314 단계)할 수 있다. 상기 실시간마다 확인하는 각 셀별 데이터로는, 각 셀별 전압, 각 셀별 온도, 각 셀별 내부 저항을 포함할 수 있다.

상기 중앙 처리부(220)는 상기 확인된 데이터로부터 각 셀에 대해 설정된 이상 발생 조건을 만족하는지 여부를 확인(316 단계)할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 상기 이상 발생 조건은 각 셀별 전압 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 온도 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 내부 저항 편차가 발생하는 경우, 또는 전류 대비 각 셀별 전압 상승폭 이상이 발생하는 경우 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 확인 결과, 특정 셀에서 이상 발생 조건을 만족하는 경우(예컨대, 각 셀별 전압 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 온도 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 내부 저항 편차가 발생하는 경우, 또는 전류 대비 각 셀별 전압 상승폭 이상이 발생하는 경우), 해당 셀에 대해 충전 전류를 하강시키고, 해당 셀에 대한 이상 여부를 디스플레이(예컨대, LCD)에 표시(318 단계)한다. 상기 해당 셀에 대한 충전 전류를 하강시킴에 따라 해당 셀이 정상적으로 회복(320 단계)된 경우, 다시 전류 상승 충전을 진행(322 단계)할 수 있다.

이와 같이, 각 셀별로 충전을 제어함을써 각 셀들은 각기 다른 시간에 순차적으로 완충될 수 있다. 이에 따라, 각 셀은 완충된 순으로 순차적으로 충전이 종료될 수 있다.

모든 셀이 완충되어 모든 셀의 충전이 종료되면(326 단계), 각 셀별 충전 정보를 화면에 표시(328 단계)할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬 배터리의 전압을 검출하는 전압 추출부의 회로도이다. 도 4를 참조하면, 전압 추출부(211)는 도시된 바와 같이 적어도 하나의 OP-AMP, 저항 및 콘덴서를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 회로에 의해 리튬 배터리(213)의 양단에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. 상기 전압 추출부(211)에 대한 회로 구성은 일반적인 기술이므로 그 구체적인 동작에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 리튬 배터리의 충전 용량과 내부 저항을 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 이상이 있는 배터리의 내부 저항은 50mΩ을 초과하며, 정상 상태의 배터리의 내부 저항은 50mΩ 미만임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 배터리의 내부 저항을 측정하여 미리 지정된 임계값(예컨대, 상기 50mΩ)을 초과하면 이상이 있는 것으로 판단하고 전술한 바와 같이 충전을 중단시키거나 충전 전력을 낮추도록 제어할 수 있다.

상기 배터리의 내부 저항값은 하기 <수학식 1> 및 <수학식 2>에 의해 산출될 수 있다.

상기 <수학식 1>에서 dropV는 강하전압, outV는 출력단자전압, OCV는 개회로 배터리 전압을 의미한다.

상기 <수학식 2>에서 expIR은 내부 저항 예상값, dropV는 강하 전압, ccA는 현재 충전 전류를 의미한다.

상기 <수학식 1> 및 <수학식 2>에 의해 배터리를 테스트한 결과 낮은 용량일수록 내부저항이 높게 나오고 높은 용량일수록 내부저항이 낮게 나옴을 알 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 점표도의 결과 불량 배터리의 내부 저항 기준과 정상 배터리 기준의 중간치값인 50mΩ 을 임계값으로 설정하고, 상기 임계값을 초과하지 않는 배터리를 양호한 배터리로 간주할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 각 전류별 셀 간 온도차를 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 충전 전류에 따라 각 셀별 온도가 상이하게 상승할 수 있음을 나타낸다. 배터리의 충전중의 온도 상승은 전기 화학 반응, 충방전 효율, 전하 수용성 등에 악영향을 끼치며 결국에는 배터리 수명을 감소시킨다. 또한, 셀 간 온도편차로 인해 셀 간 내부저항의 불균형이 생기며 사용 가능한 배터리 셀이 많이 남아있음에도 불구하고, 배터리를 교체해야하는 문제가 발생한다. 도 3b에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따라 충전 진행 시 실시간으로 각 셀별 온도 편차를 확인함으로써 배터리의 각 셀별 온도가 적절한 온도 상태로 유지될 수 있도록 충전시 전류를 각 셀별로 제어할 수 있다.

도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 배터리의 각 셀별 충전 방법을 나타내는 회로도이다.

직렬 구조의 리튬 배터리를 충전할 때, 각 셀의 전압을 일정하게 충전하는 것은 불가능하며 스위칭을 통해 1셀 3셀 5셀 6셀을 저항(R)으로 미세하게 전력을 소모하며 전압을 일정하게 맞춘 후 저 전류를 통해 완충전압까지 배터리를 일정한 전압으로 충전을 완료할 수 있다.

상기 리튬 배터리의 충전 시 CC-CV 방식에 의해 충전을 진행 후 어느 시점에 도달하면 밸런스 구간이 존재한다. 이때부터 리튬 배터리가 완충될 때까지 저 전류로 충전하며 각 셀마다 스위칭을 통해 충방전을 지속적으로 진행하여 최종 전압까지 도달하면 충전 종료 시킨다.

도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 6개의 각 셀(801a 내지 801f)에는 각각 셀 스위치(802a 내지 802f)를 통해 전원(800a 내지 800f)을 공급할 수 있다. CC-CV 방식으로 리튬 배터리를 충전할 때, 스위칭을 통해 충방전을 지속적으로 진행할 경우 배터리의 스트레스가 발생하여 배터리 수명에 영향을 주게 된되며, 충전 시간이 길어진다.

본 발명의 실시예에 따라, CC-CV 방식으로 충전이 수행될 때, 스위치(804)를 온 시켜 전체 전원(803)을 전체 리튬 배터리의 팩 전압으로 공급하고, 상기 CC-CV 충전 방식에 따라 CC 모드로 충전하는 중 CV 모드로 전환되면, 충전 전류가 하강하게 된다. 본 발명의 실시예에 따라, 충전 시작 시 특정 셀의 전압이 저전압인 상태인 경우 상기 각 스위치(802a 내지 802f)를 제어함으로써 해당 셀에 대해서만 개별적으로 저전류 충전을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라, 충전 진행 시 실시간으로 각 셀의 상태를 확인할 수 있으며, 특정 셀이 이상 발생 조건을 만족하는 경우(예컨대, 각 셀별 전압 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 온도 편차가 발생하는 경우, 각 셀별 내부 저항 편차가 발생하는 경우, 또는 전류 대비 각 셀별 전압 상승폭 이상이 발생하는 경우), 상기 각 스위치(802a 내지 802f)를 제어함으로써 해당 셀에 대해 충전 전류를 하강시킴으로써 해당 셀이 정상적으로 회복시킨 후 다시 전류 상승 충전을 진행할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 배터리의 충전 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 충전 제어 장치는 중앙 처리부(220), 충전 제어부(230), 검출부(910), MCU(920)를 포함할 수 있다. 상기 검출부(910) 및 MCU(920)는 도 2 및 도 10에 도시된 바와 같이 각 셀에 대응하도록 복수 개가 구비될 수 있다.

예컨대, 각 셀 충전 및 셀별 검출부(210)는 각 셀별로 MCU(920)를 포함할 수 있으며, 상기 MCU(920)는 각 셀에 대한 충전을 관리할 수 있다. 또한, 중앙 처리부(220)는 다시 충전 제어부(2230)를 통해 각 MCU(920)를 제어하여 해당 셀을 관리 및 감독함으로써 세밀한 배터리 충전을 수행할 수 있다. 예컨대, 상기 중앙 처리부(220)에서는 상기 각 셀에 대응하는 검출부(910)를 통해 취합된 온도, 내부저항, 전압(또는 전압 편차) 등의 데이터를 기반으로 각 셀의 상태에 따라 충전 데어부(230)로 해당 셀의 충전을 제어하기 위한 제어 신호를 전달하게 된다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 배터리의 충전 제어 장치의 세부 회로를 나타내는 도면이다. 도 10을 참조하면, 전원(1000)(예컨대, 도 2의 DC 입력부)는 각 셀에 대응하는 입력단(1011) 및 트렌스의 1차측 코일(1010)로 전원을 공급할 수 있다. 각 셀에 대응하는 입력단(1011) 및 트렌스의 1차측 코일(1010)은 트렌스 절연 파워부(1010)(예컨대, 도 2의 트렌스 절연 파워부(250)))를 구성할 수 있다. 상기 각 셀에 대응하는 트렌스의 1차측 코일(1012)에 공급된 전력은 2차측 코일(1021)로 전달될 수 있다. 상기 2차측 코일(1021)로 전달된 전력은 MCU(1022)의 제어에 따라 충전부(1023)를 거쳐 배터리(1024)에 충전될 수 있다. 상기 2차측 코일(1021), MCU(1022), 충전부(1023)는 셀 충전 및 셀별 검출부(1020)(예컨대, 도 2의 셀 충전 및 셀별 검출부(210))를 구성할 수 있다.

본 발명은 특정 기능들 및 그의 관계들의 성능을 나타내는 방법 단계들의 목적을 가지고 위에서 설명되었다. 이러한 기능적 구성 요소들 및 방법 단계들의 경계들 및 순서는 설명의 편의를 위해 여기에서 임의로 정의되었다. 상기 특정 기능들 및 관계들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들 및 순서들이 정의될 수 있다. 임의의 그러한 대안적인 경계들 및 순서들은 그러므로 상기 청구된 발명의 범위 및 사상 내에 있다. 추가로, 이러한 기능적 구성 요소들의 경계들은 설명의 편의를 위해 임의로 정의되었다. 어떠한 중요한 기능들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들이 정의될 수 있다. 마찬가지로, 흐름도 블록들은 또한 어떠한 중요한 기능성을 나타내기 위해 여기에서 임의로 정의되었을 수 있다. 확장된 사용을 위해, 상기 흐름도 블록 경계들 및 순서는 정의되었을 수 있으며 여전히 어떠한 중요한 기능을 수행한다. 기능적 구성 요소들 및 흐름도 블록들 및 순서들 둘 다의 대안적인 정의들은 그러므로 청구된 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다.

본 발명은 또한 하나 이상의 실시 예들의 용어로, 적어도 부분적으로 설명되었을 수 있다. 본 발명의 실시 예는 본 발명, 그 측면, 그 특징, 그 개념, 및/또는 그 예를 나타내기 위해 여기에서 사용된다. 본 발명을 구현하는 장치, 제조의 물건, 머신, 및/또는 프로세스의 물리적인 실시 예는 여기에 설명된 하나 이상의 실시 예들을 참조하여 설명된 하나 이상의 측면들, 특징들, 개념들, 예들 등을 포함할 수 있다. 더구나, 전체 도면에서, 실시 예들은 상기 동일한 또는 상이한 참조 번호들을 사용할 수 있는 상기 동일하게 또는 유사하게 명명된 기능들, 단계들, 모듈들 등을 통합할 수 있으며, 그와 같이, 상기 기능들, 단계들, 모듈들 등은 상기 동일한 또는 유사한 기능들, 단계들, 모듈들 등 또는 다른 것들일 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 충전 장치 111 : 전압 추출부
112 : 전류 추출부 113 : 리튬 배터리
114 : 저항 115 : 대전력 저항
120 : 중앙 처리부 130 : 충전 전력 제어부
140 : 방전 전력 제어부 150 : 전원 공급부
151 : 양의 단자 152 : 음의 단자
210 : 셀 충전 및 셀별 검출부 211 : 전압 추출부
212 : 온도 추출부 213 : 리튬 배터리
220 : 중앙 처리부 230 : 충전 제어부
240 : 내부 저항 추출부 250 : 트랜스 절연 파워부
260 : DC 입력부

Claims

복수의 셀들을 포함하는 리튬 배터리의 충전 제어 장치에 있어서,
DC 전원을 공급받아 상기 리튬 배터리를 구성하는 복수의 셀들에 대해 각 셀별로 충전을 수행하는 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들;
상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들로부터 데이터를 수집하고, 각 셀에 대한 충전 제어 신호를 생성하는 중앙 처리부; 및
상기 중앙 처리부로부터 각 셀에 대한 충전 제어 신호를 수신하고, 상기 수신된 충전 제어 신호에 기반하여 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들 중 해당 셀의 셀 충전 및 셀별 검출부를 제어하는 충전 제어부;를 포함하고,
상기 중앙 처리부는, 충전이 개시되면 상기 복수의 셀 충전 및 셀별 검출부들로부터 수집된 데이터로부터 각 셀별 배터리 초기 상태 정보를 확인하고, 저전압 상태의 셀이 존재할 경우, 해당 셀에 대한 저전압 충전을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 충전 제어부는,
상기 저전압 상태의 셀에 대한 저전압 충전을 수행함에 따라 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하는지 여부를 확인하고,
상기 확인 결과, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하지 않는 경우 전체 셀에 대한 충전 동작을 종료시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 충전 제어부는,
상기 확인 결과, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하는 경우 전체 셀에 대한 충전 동작을 정상적으로 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 충전 제어부는,
각 셀별 충전에 따라, 상기 각 셀에 대해 실시간으로 수집된 데이터에 기반하여, 설정된 이상 발생 조건 만족 여부를 확인하고,
이상 발생 조건 만족 시, 해당 셀에 대한 충전 전류 낮추어서 충전을 수행하도록 제어하는, 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 장치.
복수의 셀들을 포함하는 리튬 배터리의 충전 제어 방법에 있어서,
DC 전원을 공급받아 상기 리튬 배터리를 구성하는 복수의 셀들에 대해 각 셀별로 충전을 개시하는 단계;
상기 복수의 셀에 대응하는 데이터를 수집하는 단계;
상기 수집된 데이터로부터 각 셀별 배터리 초기 상태 정보를 확인하는 단계;
상기 확인 결과, 저전압 상태의 셀이 존재할 경우, 해당 셀에 대한 저전압 충전을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 방법.
제5항에 있어서, 상기 방법은,
상기 저전압 상태의 셀에 대한 저전압 충전을 수행함에 따라 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하는지 여부를 확인하는 단계; 및
상기 확인 결과, 해당 셀의 전압이 정상적으로 상승하지 않는 경우 전체 셀에 대한 충전 동작을 종료시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 방법.
제5항에 있어서, 상기 방법은,
각 셀별 충전에 따라, 상기 각 셀에 대해 실시간으로 수집된 데이터에 기반하여, 설정된 이상 발생 조건 만족 여부를 확인하는 단계; 및
이상 발생 조건 만족 시, 해당 셀에 대한 충전 전류 낮추어서 충전을 수행하는 단계;를 포함하는, 드론용 리튬 배터리의 충전 제어 방법.