KR100539474B1 - 스마트 배터리용 연료게이지 ic와 잔존용량 보정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 배터리에 사용되는 연료게이지 IC와 잔존용량보정방법에 관한 것으로, 배터리의 잔존용량을 계산하여 기기 본체에 통지하는 스마트 배터리의 연료게이지 기능을 단일 칩 형태로 제작하고, 보다 정확하게 보정된 잔량을 기기에 통보하기 위한 것이다.

본 발명에서는 잔존용량 보정시기를 결정하는 기준전압을 온도와 시간율 전류에 의해 구해지는 관계식을 채택하여 사용하였으며, 따라서 대용량의 메모리 등을 필요치 않게 되어 단일 칩 형태로 연료게이지 기능을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 실시간으로 잔존용량을 기기 본체에 통지할 수 있게 된다.

Description

스마트 배터리용 연료게이지 IC와 잔존용량 보정방법 { Fuel Gauge IC and Method of Calibration for Smart Battery}

본 발명은 스마트 배터리에 사용되는 연료게이지 IC와 잔존용량 보정방법에 관한 것으로, 배터리의 잔존용량을 계산하여 기기 본체에 통지하는 스마트 배터리의 연료게이지 기능을 단일 칩 형태로 제작하고, 보다 정확하게 보정된 잔량을 기기에 통보하기 위한 것이다.

휴대폰이나 캠코더와 같이 배터리의 잔존용량이 잔존 통화가능시간이나 잔존 촬영가능시간을 결정하는데 매우 중요한 기기에서 있어서는 배터리의 잔존용량을 정확히 측정하여 사용자에게 통지할 수 있는 배터리가 필요한데, 이러한 기능을 구비한 배터리를 스마트 배터리라고 한다.

일반적으로 휴대폰에 사용되는 배터리의 경우에는 도 1의 우측에 나타낸 바와 같은 휴대폰의 표시창에 3 또는 4단계의 배터리 용량을 표시하는 잔존 용량계를 구비하여, 배터리의 온도, 전류, 전압에 의해 결정되는 배터리의 잔존용량을 표시하고 있다. 그러나, 이러한 잔존 용량계는 배터리의 용량을 3 또는 4단계로 단순히 표시하기 때문에 20~25%정도의 오차가 발생하며, 특히 사용자에게 잔존 통화가능시간을 알려주는 방법을 구비하고 있지 않아 사용시 배터리의 경보음이 울리면 긴급히 통화를 종료하게 되는 등 사용자에게 불안감을 주는 경우가 많았다.

이러한 단점을 보완하기 위하여, 도 1과 같이 배터리의 온도, 전류 및 전압을 측정하는 기능을 구비하여 잔존용량을 계산하고 이에 따른 충전시간 및 사용가능시간을 알려주기 위한 스마트 배터리가 최근 제시되고 있다.

스마트 배터리는 배터리 자체에서 온도, 전류 및 전압을 측정하고 잔존용량을 계산하여 휴대폰에 통지하는 연료게이지형(Fuel Gauge Type)과, 배터리 자체에서는 온도, 전류 및 전압만을 측정하는 모니터링형(Monitering Type)의 두 가지 형태로 대별되는데, 연료게이지형 스마트 배터리는 도 1의 멀티플렉서, A/D컨버터, 내부 메모리를 구비한 마이크로 프로세서 및 오실레이터가 장착되며 연료게이지 기능을 담당하는 PCB를 배터리 본체에 구비하고, 모니터링형 스마트 배터리는 멀티플렉서와 A/D컨버터를 배터리 본체에 구비하며 마이크로 프로세서 및 오실레이터는 기기본체에 별도로 구비하게 된다.

모니터링형 스마트 배터리의 경우에는 용량이 서로 다른 배터리를 교환 사용하게 되면 배터리의 용량, 잔존용량 한계치(용량부족 경보음이나 완전방전 경보음이 울리는 시점)을 기기본체에서 일일이 입력해 주어야 하는 단점이 있어 사용이 불편하며, 연료 게이지형 스마트 배터리의 경우에는 여러가지 기능을 가진 부품이 배터리에 탑재되어야 하고, 특히 배터리의 특성을 저장해야 하는 고용량의 메모리가 필요하여 연료게이지 PCB를 단일 칩으로 제작하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다.

배터리의 잔존용량을 정확히 파악하기 위한 특허등록 제395637호의 발명은 충방전 횟수와 전류 및 온도에 따른 출력전압의 변화를 모두 테이블로서 저장하여야 하기 때문에 대용량의 메모리가 요구되며, 이러한 메모리는 마이크로 프로세스의 일정 공간이나 별도의 ROM을 필요로 하게 되어 공간상의 제약이 많으며, 대용량의 테이블로부터 온도나 전류에 따른 전압값을 검색하는데 시간이 많이 소요되며, 테이블 형태의 데이터를 사용하도록 되어 있기 때문에 실제 적용시에는 테이블에 기록된 수치를 이용한 내삽법 또는 외삽법에 의해 전압값을 결정하기 때문에 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 통상 도1과 같이 구성되는 스마트 배터리에서는, 배터리의 잔존용량 계산시 전류누적법이라는 계산방법이 사용되는데, 이러한 전류누적법은 A/D컨버터를 사용하여 일정 시간(t)동안 n회 측정된 전류의 평균값을 구하여 충전 또는 방전된 전류량을 구하고 이러한 전류량에 따라 배터리의 잔존용량을 계산하게 된다. 전류누적법에 사용되는 계산식은 다음과 같다.

평균 전류값 Iavg = ∑ I / n

충전 또는 방전된 전류량 △CB = Iavg × t

배터리의 잔존용량 (%) = (CB-△CB)/CB × 100

여기서 CB는 배터리의 용량이다.

상기와 같은 전류누적법을 사용하게 되면, 전류측정시 멀티플렉서 및 A/D컨버터의 특성에 의해 측정오차가 누적될 뿐 만 아니라, CDMA나 GSM방식의 휴대폰 전화기의 경우에는 전류의 사용패턴이 펄스형태로 이루어지기 때문에 사용시간에 따라 오차가 누적되어 잔존용량의 예측 정확도가 감소되는 현상이 발생한다.

따라서 이러한 오차를 보정하기 위하여, 리튬이온 배터리의 경우에는 전압을 측정하여 완전충전에 해당하는 전압값에 도달하면 잔존용량을 100%, 완전방전에 해당하는 전압값에 도달하면 잔존용량을 0%로 리셋하는 알고리즘을 사용하며, 사용전압이 제1특정 전압값에 도달하면 잔존용량을 11%로 리셋하고 그 이후에는 잔량계산을 하지 않고 있다가 다시 사용전압이 제2특정 전압값에 도달하면 잔존용량을 4%로 리셋시켜 배터리의 완전방전을 표시하게끔 하고 있다. 그러나 기준전압(이하 기준전압은 제1특정 전압값 또는 제2특정 전압을 의미함.)은 온도와 전류에 의해 결정되는데, 종래에는 이러한 온도, 전류 및 전압의 관계를 테이블 형태로 저장하고 온도와 전류에 따라 결정되는 전압값을 테이블에서 검색한 뒤 계산에 의해 결정하는 방법을 사용하였다.

온도와 전류 및 전압의 관계를 테이블로 저장하기 위하여는 대용량의 메모리가 필요하게 되는데, 이러한 대용량 메모리의 필요성은 배터리를 소형·경량화하기 위한 노력에 악영향을 끼치며, 연료게이지 기능을 단일 칩형태로 설계하는데 많은 지장을 초래하고 있다.

또한 종래의 기술에서는 메모리 내에 저장된 대용량의 테이블에서 전류 및 온도에 해당하는 기준전압을 검색하여 사용하므로 검색시간과 계산시간이 많이 소요되기 때문에 방전중 계속하여 기준 전압을 변경하기 힘들고, 따라서 방전 시작시 배터리의 온도 및 전류에 따라 기준전압을 결정하는 형태로 잔존용량의 오차를 보정하고 있다. 그러나, 방전중 사용시간이나 외기 온도에 따라 배터리의 온도가 높아지거나 낮아질 수 있는데, 이때 온도에 따라 변동되는 기준전압을 적용하지 못하여 잔존용량을 예측하는데 오차가 발생되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 배터리의 잔존용량을 계산하기 위해 필요한 데이터를 저장하기 위한 대용량의 메모리가 필요없이 배터리의 특성을 온도, 전류, 전압에 대한 관계식으로 변환시키고 관계식에 사용되는 변수만을 저장하여 사용함에 따라 스마트배터리를 소형·경량화 하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 배터리의 특성을 온도, 전류, 전압에 대한 테이블형태로 저장하지 않고 이들의 관계식을 사용하여, 보다 정밀하고 빠른 잔존용량의 계산이 가능하도록 하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스마트 배터리를 제작함에 있어 대용량의 메모리를 필요하지 않도록 하여 소형·경량·직접화된 단일 칩 형태의 연료게이지 IC를 제작하기 위한 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 배터리의 사용시 온도와 전류를 계속하여 측정하며 이에 따른 기준전압을 새로이 설정함에 따라 배터리의 잔존용량을 보다 정확하게 통지할 수 있는 것에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 전류, 전압, 온도를 측정할 수 있는 멀티플렉서와 A/D컨버터와; 특정 주파수를 발생시키는 오실레이터와; 상기 오실레이터로부터의 신호를 사용하여 상기 멀티플렉서를 구동하며 A/D컨버터로부터 입력되는 신호에 따라 배터리의 잔존용량을 계산하는 마이크로 프로세스가 하나의 칩으로 구성되며, 상기 잔존용량은 측정된 전류에 의해 결정되는 상수와 온도간의 관계식에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는 연료게이지 IC에 관한 것이다.

본 발명은 연료게이지형 스마트배터리의 잔량보정방법에 있어서, 방전시 전류, 전압, 온도를 측정하는 측정단계와; 전류누적법에 의해 잔존용량을 계산하는 계산단계와; 잔존용량 리셋 플래그 설정이 되어있는지 판단하는 제1판단 단계와; 상기 잔존용량 리셋 플래그 설정이 되어 있으면, 측정전압이 만방전 전압에 도달했는지 판단하고 만방전 전압에 도달하지 않았으면 잔존용량을 상기 계산단계에서 구한 잔존용량으로 갱신하고 상기 측정단계로 리턴되며, 만방전전압에 달했으면 잔존용량을 0으로 리셋하고 사용시간을 0으로 설정시키는 만방전 확인단계와; 잔존용량 리셋 플래그가 설정되어 있지 않으면 잔존용량이 설정 잔존용량(이하 설정 잔존용량이란 배터리의 용량이 부족한 상태로 설정되는 잔존용량을 뜻한다.)에 달하였는지 판단하여 잔존용량이 설정잔존용량보다 크지 않으면 잔존용량을 설정잔존용량으로 갱신하고 , 잔존용량이 설정잔존용량보다 크면 잔존용량을 갱신하지 않는 제2판단 단계와; 상기 측정단계에서 측정한 전류에 해당하는 상수를 예비 관계식에 의해 결정하는 상수 결정단계와; 상기 상수결정단계에서 얻어진 상수와 상기 측정단계에서 측정한 온도에 의해 결정되는 관계식으로 기준전압을 계산하는 기준전압계산단계와; 상기 기준 전압계산단계에서 구해진 기준전압과 상기 측정단계에서 구해진 측정전압을 비교하여 측정전압이 기준전압보다 작지 않으면 잔존용량을 갱신하고 상기 측정단계로 리턴되며, 측정전압이 기준전압보다 작으면 잔존용량을 설정잔존용량으로 리셋하고 잔존용량 리셋 플래그를 설정한뒤 상기 만방전 확인단계로 진행하는 전압비교단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 일정한 시간율 전류가 흐를 경우 전압과 시간, 전압과 방전된 용량의 관계를 실험결과에 따라 나타낸 선도이다. 전류가 흐르기 시작하면 배터리와 기기본체의 회로에 존재하는 저항에 의해 전압강하가 초기에 발생하며, 그 이후에는 일정하게 전압이 감소하다가 최종적으로는 전압이 급격히 감소하게 된다. 따라서 전류가 클수록 방전전압은 낮게 형성되며 약 90%정도의 배터리 용량이 소진된 시기부터 배터리는 용량부족상태가 되기 때문에 용량부족 상태가 되는 전압값을 정확히 알아야 한다.

도 3은 온도의 변화에 따른 전압과 시간, 전압과 방전된 용량의 관계를 실험결과에 따라 나타낸 선도이다. 이 경우에도 마찬가지로 전류가 흐르기 시작하면 배터리와 기기본체의 회로에 존재하는 저항에 의해 전압강하가 초기에 발생하며, 그 이후에는 일정하게 전압이 감소하다가 최종적으로는 전압이 급격히 감소하게 된다. 또한 온도가 낮을수록 용량부족상태에 달하는 전압값이 낮아지게 된다.

본 발명에서는 용량부족상태에 달하는 기준전압의 온도 및 전류크기에 따른 차이를 실험적으로 구해본 결과, 도 4에 나타난 바와 같이 종래에 알려진 바와는 정반대의 양상을 보인다는 것을 밝혀내었다. 즉 동일한 온도에서 시간율 전류가 흐를 경우 시간율 전류가 낮을수록 기준전압은 높게 설정되는 것이 밝혀졌다. 이는 도 2에 나타난 바와 같이 방전이 시작되면 초기에 전압강하가 일어나게 되는데, 전류의 양이 크면 전압강하도 많이 일어나기 때문이다. 동일한 전류에서는 온도가 낮을수록 기준전압은 낮게 설정된다.

또한 도 4에 나타난 바와 같이 각각의 시간율 전류에 따른 기준전압과 온도의 관계는 선형적인 비례관계를 가지고 있으며, 이러한 비례관계는 아래 식(1)과 같이 나타낼 수 있음이 밝혀졌다.

기준전압 = a + 온도 × b … (1)

식(1)에서 사용되는 상수 a와 b는 시간율 전류의 값에 따라 달라지게 되는데, 시간율 전류와 식(1)의 상수 a 또는 b의 관계는 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같으며, 도 5 및 도 6에 나타난 관계는 아래 식 (2)와 식(3)으로 정리될 수 있다.

a = y0 + A1*exp(-(시간율 전류-x0)/t1) … (2)

b = -y1*시간율 전류+y2 … (3)

식(2)와 식(3)에서 y0, A1, xo, t1, y1, y2는 배터리의 특성에 따라 결정되는 값이다.

따라서 연료게이지 IC를 설계시 배터리의 시험을 통하여 미리 구하여진 상기 y0, A1, xo, t1, y1, y2만을 저장하면 되기 때문에 종래와 같이 대용량의 메모리나 데이터가 필요치 않게되어 연료게이지 기능을 단일 칩으로 구현하는 것이 가능해지는 것이다.

이하에서는 도7을 참조하여 본 발명의 연료게이지 IC에 사용되는 잔량보정방법을 기술한다.

배터리가 기기에 장착되어 방전이 시작되면 연료게이지 IC는 전압, 전류, 온도를 측정하고(단계 S10), 전류누적법에 의해 잔존용량을 계산한다(단계 S20).

다음으로 잔존용량 리셋플래그가 설정되어 있는지 판단하게 되는데(단계 S30), 잔존용량 리셋플래그는 잔존용량이 일정수준 이하 즉 설정잔존용량(본 실시예에서는 10%로 설정한다.)에 달하면 설정되는 것이다. 잔존용량 리셋 플래그가 설정되어 있으면 측정전압이 만방전전압에 해당하는지를 체크하여 측정전압이 만방전 전압보다 작으면 잔존용량을 0%로 리셋시키고 사용가능시간을 0으로 설정하며, 측정전압이 만방전 전압보다 작지 않으면 단계 S20에서 전류누적법에 의해 계산된 잔존용량으로 갱신하고 다시 단계 S10으로 리턴된다(단계 S100).

잔존용량 리셋 플래그가 설정되어 있지 않으면 단계 S20에서 계산된 잔존용량이 10%이하인지 판단하여 잔존용량이 10%보다 크지 않으면 잔존용량을 10%로 리셋하고 잔존용량이 10%보다 크면 계산된 잔존용량을 갱신하지 않는다(단계 S40).

다음으로 상기 측정단계에서 측정한 전류에 해당하는 상수를 예비 관계식에 의해 결정하게 되는데 여기서 예비관계식은 상기 식(2)와 식(3)을 사용한다(단계 S50).

식(2)와 식(3)에 의해 얻어진 상수와 단계 S10에서 측정한 온도를 사용하여 기준전압을 구하게 되는데, 이때 사용되는 식은 상기 식(1)이다(단계 S60).

다음으로 단계 S60에서 구한 기준전압과 단계 S10에서 측정한 측정전압을 비교하여 측정전압이 기준전압보다 작지 않으면 단계 S20에서 계산한 값으로 잔존용량을 갱신한 뒤 다시 단계 S10으로 리턴되며, 측정전압이 기준전압보다 작으면 잔존용량을 10%로 리셋하고 잔존용량 리셋 플래그를 설정한 뒤 상기 단계 S100으로 진행하게 된다(단계 S70).

표시잔량을 변경시키지 않는 종래의 기술과 달리, 방전시 계속하여 잔존용량계산을 행하고 있기 때문에 보다 정확하고 신속한 잔존용량을 통지할 수 있게되며, 또한 전류와 온도의 관계식에 의해 기준전압을 결정하게 되므로 신속한 계산이 이루어질 수 있는 것이다.

본 발명은 배터리의 잔존용량을 계산하기 위한 데이터를 저장하기 위한 대용량의 메모리 대신 배터리의 특성을 온도, 전류, 전압에 대한 관계식으로 변환시키고 관계식에 사용되는 변수만을 저장하여 사용함에 따라 배터리를 소형·경량화할 수 있고, 연료게이지 기능을 구비한 단일 칩을 만들 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면 배터리의 특성을 온도, 전류, 전압에 대한 테이블대신 서로간의 관계식을 사용하므로써, 보다 정밀하고 빠른 잔존용량의 계산이 가능하다.

본 발명의 또 다른 효과로는 배터리의 사용시 온도와 전류를 계속하여 측정하며 이에 따른 기준전압을 새로이 설정함에 따라 배터리의 잔존용량을 보다 정확하게 통지할 수 있다는 것이다.

도 1은 종래 스마트 배터리의 구성이다.

도 2는 각 시간율 전류에 있어서 전압과 방전된 용량의 관계선도이다.

도 3은 각 온도에서 전압과 방전된 용량의 관계선도이다.

도 4는 각 시간율 전류에 있어서 기준전압과 온도의 관계선도이다.

도 5는 시간율 전류와 상수 a와의 관계선도이다.

도 6은 시간율 전류와 상수 b와의 관계선도이다.

도 7은 본 발명에서 사용되는 잔존용량 보정방법의 순서도이다.

Claims (6)

1. 전류, 전압, 온도를 측정할 수 있는 멀티플렉서와 A/D컨버터와; 특정 주파수를 발생시키는 오실레이터와; 상기 오실레이터로부터의 신호를 사용하여 상기 멀티플렉서를 구동하며 A/D컨버터로부터 입력되는 신호에 따라 잔존용량을 계산하는 마이크로 프로세스가 하나의 칩으로 구성되며; 상기 잔존용량은 측정된 전류와 온도에 의해 결정되는 상수를 이용한 관계식에 의해서 계산된 기준전압에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는 스마트 배터리용 연료게이지 IC.
2. 제1항에 있어서, 상기 기준전압은 시간율 전류에 의해 구해진 상수를 기준전압과 온도의 관계식에 대입하여 구하는 것을 특징으로 하는 스마트 배터리용 연료게이지 IC.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 상수는

   a = y0 + A1*exp(-(시간율 전류-x0)/t1),

   b = -y1*시간율 전류+y2

   (y0, A1, xo, t1, y1, y2 : 배터리의 특성에 따라 결정되는 값)의 예비관계식으로 부터 계산되며,

   상기 관계식은

   기준전압 = a + 온도 × b

   의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 스마트 배터리용 연료게이지 IC
4. 스마트배터리의 잔량보정방법에 있어서, 방전시 전류, 전압, 온도를 측정하는 측정단계와; 전류누적법에 의해 잔존용량을 계산하는 계산단계와; 잔존용량 리셋 플래그 설정이 되어있는지 판단하는 제1판단 단계와; 상기 잔존용량 리셋 플래그 설정이 되어 있으면, 측정전압이 만방전 전압에 도달했는지 판단하고 만방전 전압에 도달하지 않았으면 잔존용량을 상기 계산단계에서 구한 잔존용량으로 갱신하고 상기 측정단계로 리턴되며, 만방전전압에 달했으면 잔존용량을 0으로 리셋하고 사용시간을 0으로 설정시키는 만방전 확인단계와; 잔존용량 리셋 플래그가 설정되어 있지 않으면 잔존용량이 설정 잔존용량에 달하였는지 판단하여 잔존용량이 설정잔존용량보다 크지 않으면 잔존용량을 설정잔존용량으로 갱신하고 , 잔존용량이 설정잔존용량보다 크면 잔존용량을 갱신하지 않는 제2판단 단계와; 상기 측정단계에서 측정한 전류에 해당하는 상수를 예비 관계식에 의해 결정하는 상수 결정단계와; 상기 상수결정단계에서 얻어진 상수와 상기 측정단계에서 측정한 온도에 의해 결정되는 기준전압을 계산하는 기준전압계산단계와; 상기 기준전압 계산단계에서 구해진 기준전압과 상기 측정단계에서 구해진 측정전압을 비교하여 측정전압이 기준전압보다 작지 않으면 잔존용량을 갱신하고 상기 측정단계로 리턴되며, 측정전압이 기준전압보다 작으면 잔존용량을 설정잔존용량으로 리셋하고 잔존용량 리셋 플래그를 설정한뒤 상기 만방전 확인단계로 진행하는 전압비교단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료게이지형 스마트 배터리의 잔량보정방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 기준전압은 시간율 전류에 의해 구해진 상수를 기준전압과 온도의 관계식에 대입하여 구하는 것을 특징으로 하는 연료게이지형 스마트 배터리의 잔량보정방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 상수는

   a = y0 + A1*exp(-(시간율 전류-x0)/t1),

   b = -y1*시간율 전류+y2

   (y0, A1, xo, t1, y1, y2 : 배터리의 특성에 따라 결정되는 값)의 예비 관계식으로 부터 계산되며,

   상기 관계식은

   기준전압 = a + 온도 × b

   의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 연료게이지형 스마트 배터리의 잔량보정방법.