KR101717365B1 - 전원 공급 장치와 연결된 배터리의 노화 완화를 위한 휴대용 전자 장치 - Google Patents

전원 공급 장치와 연결된 배터리의 노화 완화를 위한 휴대용 전자 장치 Download PDF

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Abstract

휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 배터리, 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 제어 로직, 전하를 버퍼링하는 전하 버퍼, 전하 버퍼의 충전 및 방전을 제어하는 전하 버퍼 제어 로직, 및 휴대용 전자 장치가 외부의 전원 공급 장치의 공급 전원에 의해 동작하는 중에 공급 전원이 휴대용 전자 장치의 전력 요구량에 부족한 경우, 배터리로부터의 전력이 인출되는 것을 차단하도록 배터리 제어 로직을 제어하고 전하 버퍼에 저장된 전하를 방전하도록 전하 버퍼 제어 로직을 제어하는 전력 제어 모듈을 포함하는 휴대용 전자 장치를 제공할 수 있다.

Description

전원 공급 장치와 연결된 배터리의 노화 완화를 위한 휴대용 전자 장치{PORTABLE ELECTRONIC DEVICE FOR AGING MITIGATING OF POWER SUPPLY-CONNECTED BATTERIES}
아래의 실시예들은 전원 공급 장치와 연결된 배터리의 노화 완화를 위한 휴대용 전자 장치에 관한 것이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 다음 2건 특허 문헌들에 개시되어 있다.
(1) 미국 등록 특허 공보 US 8922329 (2014.12.30)
(2) 미국 공개 특허 공보 2015-0052047(2015.05.13)
배터리로 동작하는 휴대용 전자 장치들은 소형 스마트 폰에서 고성능 노트북 컴퓨터에 이르기까지 매우 다양하다.
많은 사용자들은 이러한 휴대용 전자 장치들을 대개 사무실이나 집에서 같이 세트로 판매되는 전용 충전기로 충전하여 사용하면서, 전원이 충전기로부터 공급되므로 기기에 내장된 배터리는 사용되지 않아 수명의 저하가 없을 것을 기대한다. 그러나 제조 업체는 제공하는 전원 공급 장치의 크기와 용량을 최소한 줄여서 휴대성과 비용을 절감하는 추세로 제품을 개발하고 있으며, 따라서 사용자의 기대와는 달리 적은 용량의 전원 공급 장치로는 노트북의 최대 전력 사용을 다 충족시키지 못하여 내장 배터리의 충,방전을 야기하고, 따라서 항상 전용 충전기에서 전원을 공급받으며 사용하더라도 기기에 내장된 배터리의 노화가 발생하게 된다.
일 실시예에 따르면, 배터리가 전원 공급 장치에 연결되어 있는 때에 배터리의 노화를 완화할 수 있다.
일 측에 따르면, 휴대용 전자 장치는 상기 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 배터리; 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 제어 로직; 전하를 버퍼링하는 전하 버퍼(charge buffer); 상기 전하 버퍼의 충전 및 방전을 제어하는 전하 버퍼 제어 로직; 및 상기 휴대용 전자 장치가 외부의 전원 공급 장치(power supply)의 공급 전원에 의해 동작하는 중에 상기 공급 전원이 상기 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량에 부족한 경우, 상기 배터리로부터의 전력이 인출되는 것을 차단하도록 상기 배터리 제어 로직을 제어하고 상기 전하 버퍼에 저장된 전하를 방전하도록 상기 전하 버퍼 제어 로직을 제어하는 전력 제어 모듈을 포함한다.
상기 전원 공급 장치의 전력 용량은 상기 휴대용 전자 장치의 평균 전력 소모량에 기초하여 설계되고, 상기 평균 전력 소모량은 상기 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량보다 작을 수 있다.
상기 전력 제어 모듈은 상기 공급 전원이 상기 피크 전력 요구량보다 큰 경우, 상기 배터리보다 상기 전하 버퍼가 우선적으로 충전되도록 상기 전하 버퍼 제어 로직 및 상기 배터리 제어 로직을 제어할 수 있다.
상기 전력 제어 모듈은 부하로 공급되는 전압 및 전류 중 적어도 하나를 측정하고, 상기 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 공급 전원이 상기 전력 요구량에 부족한지 여부를 판단할 수 있다.
상기 전하 버퍼는 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitors)를 포함할 수 있다.
상기 전하 버퍼의 용량은 상기 전원 공급 장치의 평균 전력 용량, 및 상기 배터리의 순간 전력 용량, 상기 피크 전력 요구량 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 전하 버퍼의 용량은 상기 배터리의 평균 잔존 용량(SOC), 잔존 용량 스윙(SOC swing), 상기 잔존 용량 스윙에 대한 배터리의 건강 상태(SOH) 열화, 방전 깊이(DOD) 및 배터리 온도 중 적어도 하나에 기초한 시뮬레이션 결과에 따라 결정될 수 있다.
상기 전하 버퍼의 용량은 5mF 내지 10mF일 수 있다.
상기 전하 버퍼 제어 로직은 파워 컨버터(power converter)를 포함할 수 있다.
상기 휴대용 전자 장치는 상기 휴대용 전자 장치를 구동하는 프로세서; 및 상기 휴대용 전자 장치에 전원을 공급하는 외부 전원 공급 장치의 직류 전압을 상기 프로세서를 위한 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 제어 모듈은 상기 DC-DC 컨버터에 의하여 출력되는 전압 및 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 공급 전원이 상기 전력 요구량에 부족한지 여부를 판단할 수 있다.
상기 프로세서는 구동 중인 프로그램에 기초하여 상기 전력 요구량을 예측하고, 상기 예측된 전력 요구량과 관련된 정보를 상기 전력 제어 모듈에 제공할 수 있다.
일 측에 따르면, 휴대용 전자 장치는 상기 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 배터리; 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 제어 로직; 전하를 버퍼링하는 전하 버퍼; 상기 전하 버퍼의 충전 및 방전을 제어하는 전하 버퍼 제어 로직; 상기 휴대용 전자 장치를 구동하는 프로세서; 및 상기 휴대용 전자 장치에 전원을 공급하는 외부 전원 공급 장치의 직류 전압을 상기 프로세서를 위한 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 DC-DC 컨버터에 의하여 출력되는 전력이 상기 휴대용 전자 장치에서 실행되는 프로그램이 요구하는 전력 요구량보다 부족한 경우, 상기 부족한 전력이 상기 배터리로부터 인출되지 않도록 상기 배터리 제어 로직 및 상기 전하 버퍼 제어 로직을 제어한다.
상기 프로세서는 상기 DC-DC 컨버터에 의하여 출력되는 전력이 상기 휴대용 전자 장치에서 실행되는 프로그램이 요구하는 전력 요구량보다 부족한 경우, 상기 전하 버퍼에 저장된 전하를 방전하도록 상기 전하 버퍼 제어 로직을 제어하고, 상기 배터리로부터의 전력이 인출되는 것을 차단하도록 상기 배터리 제어 로직을 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 DC-DC 컨버터에 의하여 출력되는 전력이 상기 전력 요구량보다 큰 경우, 상기 배터리보다 상기 전하 버퍼가 우선적으로 충전되도록 상기 전하 버퍼 제어 로직 및 상기 배터리 제어 로직을 제어할 수 있다.
상기 전원 공급 장치의 전력 용량은 상기 휴대용 전자 장치의 평균 전력 소모량에 기초하여 설계되고, 상기 평균 전력 소모량은 상기 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량보다 작을 수 있다.
상기 전하 버퍼는 전기 이중층 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 전하 버퍼의 용량은 상기 전원 공급 장치의 평균 전력 용량 및 상기 배터리의 순간 전력 용량 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 전하 버퍼의 용량은 상기 배터리의 평균 잔존 용량, 잔존 용량 스윙, 상기 잔존 용량 스윙에 대한 배터리의 건강 상태 열화, 방전 깊이 및 배터리 온도 중 적어도 하나에 기초한 시뮬레이션 결과에 따라 결정될 수 있다.
상기 전하 버퍼 제어 로직은 파워 컨버터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따르면, 벤치마크 프로그램들(benchmark programs)을 기반으로 다양한 운영 시나리오에 의해 배터리의 노화를 정량적으로 분석 할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따르면, 전하 버퍼(charge buffer)로서 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 부가함으로써 배터리가 피크 전력을 공급하는 전원 공급 장치에 연결되어 있는 때에 시스템 성능의 감소 없이 배터리의 노화를 완화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 휴대용 전자 장치의 구성도.
도 2는 다른 실시예에 따른 휴대용 전자 장치의 구성도.
도 3는 다른 실시예에 따른 휴대용 전자 장치의 구성도.
도 4는 일 실시예에 따라 완전히 충전된 배터리에서 게임 작업 부하(gaming workload)에 대한 전류 프로파일(Current profile)을 나타낸 그래프.
도 5는 일 실시예에 따른 게임 작업 부하에 대한 전반적인 방전 프로파일(discharge profile)을 나타낸 그래프.
도 6은 일 실시예에 따라 25% 충전된 배터리에서 게임 작업 부하에 대한 배터리 잔존 용량 프로파일(Battery SOC profile)을 나타낸 그래프.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리가 충전되는 동안의 배터리 잔존 용량 프로파일을 나타낸 그래프.
도 8은 일 실시예에 따른 배터리가 충전되는 동안의 배터리 전류 및 배터리 전압 프로파일을 나타낸 그래프.
도 9는 일 실시예에 따른 사용 프로파일(usage profile)을 나타낸 그래프.
도 10은 일 실시예에 따른 배터리 잔존 용량이 대략 25% 인 동안에 높은 작업 부하를 가지는 배터리 전류 프로파일을 나타낸 그래프.
도 11은 일 실시예에 따른 게임 벤치마크 프로그램을 수행하는 경우에 배터리를 대신하는 슈퍼 커패시터의 전압 프로파일을 나타낸 그래프.
도 12는 일 실시예에 따른 배터리 잔존 용량의 저하를 줄이기 위한 정전 용량(capacitance)의 최소량을 나타낸 그래프.
도 13은 일 실시예에 따른 게임 벤치마크 프로그램을 수행하는 때에 배터리를 대신하는 슈퍼 커패시터의 전압 프로파일을 나타낸 그래프.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
휴대용 전자 장치의 전력 요구량에 비해 적은 용량의 전원 공급 장치를 사용하는 경우, 전원 공급 장치와 연결된 휴대용 전자 장치의 배터리는 노화에 노출될 수 있다. 휴대용 전자 장치가 높은 전력 수요를 필요로 하는 경우, 전원 공급 장치가 이러한 높은 전력 수요를 충족시킬 수 없게 되므로 추가적인 전원이 배터리로부터 인출(draw)된다. 이것이 배터리의 노화를 증가시킨다.
예를 들어, 전원 공급 장치의 공급 전원과 축적된 요소 전력(accumulated component power) 간의 부족분(shortfall)이 4W라고 하자. 배터리가 통상의 사용 조건 하에서 불충분한 규모의 전원 공급 장치에 접속되는 경우, 노화는 심각하게 되고, 배터리의 저장 수명(shelf lifetime)은 감소될 수 있다. 여기서, 저장 수명(shelf lifetime)은 '저장 기간(Shelf life)'이라고도 부를 수 있다. 저장 기간은 배터리에 저장되었으나, 사용되지 않은 배터리의 전력이 초기 배터리의 전체 용량의 80%까지 소멸(fade)하는 데에 걸리는 시간을 의미한다.
일 실시예에서는 전하 버퍼로서 슈퍼 커패시터를 이용하여 배터리의 부담을 줄임으로써 휴대용 전자 장치가 전원 공급 장치에 연결되어 있는 때에 배터리의 노화를 완화할 수 있다.
배터리의 노화를 완화하기 위해, 일 실시예에서는 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량보다 작은 공급 전원을 가지는 전원 공급 장치를 가지는 휴대용 전자 장치를 고려할 수 있다. 휴대용 전자 장치의 최대 전위 소비 전력(maximum potential power consumption)은 휴대용 전자 장치의 사양(specification)에 의해 추정되고, 추정된 최대 전위 소비 전력과 전원 공급 장치의 전력을 비교함으로써 배터리의 노화 여부가 결정될 수 있다.
휴대용 전자 장치는 여러 가지 벤치마크 프로그램들이 실행되는 동안에 내장된 배터리의 전류 변화를 측정할 수 있다. 다양한 상황에서의 배터리 노화를 살펴보기 위해 다양한 대표 사용 시나리오들이 생성될 수 있다.
잔존 용량(State of charge, SOC) 스윙과 평균 잔존 용량(average SOC)에 기초한 배터리 노화 모델에 의해 배터리 충전 프로파일 또는 배터리 방전 프로파일이 배터리 노화로 변환될 수 있다.
휴대용 전자 장치가 전원 공급 장치에 의해 동작하는 동안 슈퍼 커패시터의 용량에 따른 영향을 실험한 결과, 10 mF, 1 mF, 0.1 mF 의 슈퍼 커패시터가 배터리의 노화를 각각 68.6 %, 55.1 %, 4.6 % 로 감소시킴을 알 수 있었다. 일 실시예에서는 적절한 용량의 슈퍼 커패시터에 의해 전하를 버퍼링 함으로써 노화로부터 배터리를 보호하는 휴대용 전자 장치를 위한 전원 공급 장치의 크기 또한 줄일 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 전원 공급 장치에 연결된 배터리의 노화 완화를 위한 휴대용 전자 장치의 구성을 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 휴대용 전자 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 휴대용 전자 장치(100)는 전하 버퍼 제어 로직(110), 전하 버퍼(120), 배터리 제어 로직(130), 배터리(140) 및 전력 제어 모듈(160)을 포함한다. 휴대용 전자 장치(100)는 예를 들어, 랩탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 스마트 폰 등을 포함할 수 있다. 도 1에서 표시된 점선은 전력 제어 모듈(160)과 주고 받는 신호(또는 제어 신호)로 이해될 수 있다.
전하 버퍼 제어 로직(110), 전하 버퍼(120), 배터리 제어 로직(130), 및 배터리(140)는 부하(load)(150)와 함께 DC 버스(170)를 통해 서로 연결될 수 있다.
전하 버퍼 제어 로직(110)은 전하 버퍼(120)의 충전 및 방전을 제어한다. 전하 버퍼 제어 로직(110)은 파워 컨버터(power converter)를 포함할 수 있다.
전하 버퍼(120)는 전하를 버퍼링한다. 전하 버퍼(120)는 예를 들어, 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitors), 다시 말해, 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함할 수 있다. 또는, 전하 버퍼(120)는 전해 콘덴서(electrolytic capacitors)일 수 있다.
전하 버퍼(120)의 용량은 전원 공급 장치(50)의 평균 전력 용량 배터리(140)의 순간 전력 용량, 및 휴대용 전자 장치(100)의 피크 전력 요구량 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 전원 공급 장치(50)의 평균 전력 용량은 전원 공급 장치(50)가 평균적으로 공급 가능한 전력 용량으로 이해될 수 있다. 배터리(140)의 순간 전력 용량은 미리 정해진 반응 시간 내에 배터리(140)로부터 출력 가능한 전력의 양으로 이해될 수 있다.
전하 버퍼(120)의 용량은 배터리(140)의 평균 잔존 용량, 잔존 용량 스윙, 잔존 용량 스윙에 대한 배터리의 건강 상태(State Of Health; SOH) 열화, 방전 깊이(Depth Of Discharge; DOD) 및 배터리 온도 중 적어도 하나에 기초한 시뮬레이션 결과에 따라 결정될 수 있다. 배터리(140)의 잔존 용량은 배터리(140)에서 가능한 충전량과 재충전된 배터리(140)의 최대 가능 충전량의 비율로 이해될 수 있다. 잔존 용량은 예를 들어, 배터리 용량이 가득 찼을 때를 100%로, 배터리 용량이 다했을 때를 0%로 표현할 수 있다. 방전 깊이는 배터리의 잔존 용량의 대체 척도이다. 전하 버퍼(120)의 (정전) 용량은 예를 들어, 5mF 내지 10mF 일 수 있다.
배터리 제어 로직(130)은 배터리의 충전 및 방전을 제어한다.
배터리(140)는 휴대용 전자 장치(100)에 전력을 공급한다. 배터리(140)는 리튬 이온 배터리일 수 있다.
전력 제어 모듈(160)은 휴대용 전자 장치(100)가 외부의 전원 공급 장치(power supply)(50)의 공급 전원에 의해 동작하는 중에 공급 전원이 휴대용 전자 장치(100)의 피크 전력 요구량에 부족한 경우, 배터리(140)로부터 전력이 인출되는 것을 차단하도록 배터리 제어 로직(130)을 제어한다. 또한, 전력 제어 모듈(160)은 전하 버퍼(120)에 저장된 전하를 방전하도록 전하 버퍼 제어 로직(110)을 제어한다.
전원 공급 장치(50)의 전력 용량은 휴대용 전자 장치(100)의 평균 전력 소모량에 기초하여 설계될 수 있다. 휴대용 전자 장치(100)의 평균 전력 소모량은 휴대용 전자 장치(100)의 피크 전력 요구량보다 작을 수 있다.
전력 제어 모듈(160)은 전원 공급 장치(50)의 공급 전원이 휴대용 전자 장치(100)의 피크 전력 요구량보다 큰 경우, 배터리(140)보다 전하 버퍼(120)가 우선적으로 충전되도록 전하 버퍼 제어 로직(110) 및 배터리 제어 로직(130)을 제어할 수 있다.
전력 제어 모듈(160)은 부하(150)로 공급되는 전압 및 전류 중 적어도 하나를 측정하고, 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나에 기초하여 전원 공급 장치(50)의 공급 전원이 휴대용 전자 장치(100)의 피크 전력 요구량에 부족한지 여부를 판단할 수 있다. 부하(150)는 예를 들어, 전기 회로(electronic circuits) 일 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 휴대용 전자 장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 휴대용 전자 장치(200)는 전하 버퍼 제어 로직(210), 전하 버퍼(220), 배터리 제어 로직(230), 배터리(240), DC-DC 컨버터(250), 프로세서(260) 및 전력 제어 모듈(270)을 포함한다.
전하 버퍼 제어 로직(210), 전하 버퍼(220), 배터리 제어 로직(230), 배터리(240), DC-DC 컨버터(250), 및 프로세서(260)는 DC 버스(280)를 통해 서로 연결될 수 있다.
전하 버퍼 제어 로직(210), 전하 버퍼(220), 배터리 제어 로직(230), 배터리(240) 및 전력 제어 모듈(270)의 동작은 도 1의 전하 버퍼 제어 로직(110), 전하 버퍼(120), 배터리 제어 로직(130), 배터리(140), 및 전력 제어 모듈(160)의 동작과 동일하므로 도 1의 설명을 참고하기로 하고, 아래에서는 차이가 있는 동작에 대하여만 설명한다.
DC-DC 컨버터(250)는 휴대용 전자 장치(200)에 전원을 공급하는 외부 전원 공급 장치(50)의 직류 전압을 프로세서(260)를 위한 직류 전압으로 변환할 수 있다.
프로세서(260)는 휴대용 전자 장치(200)를 구동한다. 프로세서(260)는 휴대용 전자 장치(200)에서 예를 들어, 게임 또는 오피스 등과 같은 다양한 어플리케이션 프로그램들을 구동할 수 있다. 프로세서(260)는 구동 중인 프로그램에 기초하여 휴대용 전자 장치(200)의 전력 요구량을 예측하고, 예측된 전력 요구량과 관련된 정보를 전력 제어 모듈(270)에 제공할 수 있다.
전력 제어 모듈(270)은 DC-DC 컨버터(250)에 의하여 출력되는 전압 및 전류 중 적어도 하나에 기초하여 전원 공급 장치(50)의 공급 전원이 휴대용 전자 장치(200)의 (예측된) 전력 요구량에 부족한지 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 전원 공급 장치(50)의 공급 전원이 휴대용 전자 장치(200)의 전력 요구량에 부족한 경우, 전력 제어 모듈(270)은 배터리(240)로부터 전력이 인출되는 것을 차단하도록 배터리 제어 로직(230)을 제어하고 전하 버퍼(220)에 저장된 전하를 방전하도록 전하 버퍼 제어 로직(210)을 제어할 수 있다.
도 3는 다른 실시예에 따른 휴대용 전자 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 휴대용 전자 장치(300)는 전하 버퍼 제어 로직(310), 전하 버퍼(320), 배터리 제어 로직(330), 배터리(340), DC-DC 컨버터(350), 및 프로세서(360)를 포함한다.
전하 버퍼 제어 로직(310), 전하 버퍼(320), 배터리 제어 로직(330), 배터리(340), DC-DC 컨버터(350), 및 프로세서(360)는 DC 버스(370)를 통해 서로 연결될 수 있다.
전하 버퍼 제어 로직(310), 전하 버퍼(320), 배터리 제어 로직(330), 배터리(340), DC-DC 컨버터(350)의 동작은 도 2에 도시된 전하 버퍼 제어 로직(210), 전하 버퍼(220), 배터리 제어 로직(230), 배터리(240), DC-DC 컨버터(250)의 동작과 동일하므로 해당 부분의 설명을 참고하기로 한다.
프로세서(360)는 휴대용 전자 장치(300)를 구동한다. 프로세서(360)는 DC-DC 컨버터(350)에 의하여 출력되는 전력이 휴대용 전자 장치(300)에서 실행되는 프로그램이 요구하는 전력 요구량보다 부족한 경우, 부족한 전력이 배터리(340)로부터 인출되지 않도록 배터리 제어 로직(330) 및 전하 버퍼 제어 로직(310)을 제어할 수 있다.
프로세서(360)는 DC-DC 컨버터(350)에 의하여 출력되는 전력이 휴대용 전자 장치(300)에서 실행되는 프로그램이 요구하는 전력 요구량보다 부족한 경우, 전하 버퍼(320)에 저장된 전하를 방전하도록 전하 버퍼 제어 로직(310)을 제어하고, 배터리(340)로부터의 전력이 인출되는 것을 차단하도록 배터리 제어 로직(330)을 제어할 수 있다.
프로세서(360)는 DC-DC 컨버터(350)에 의하여 출력되는 전력이 휴대용 전자 장치(300)의 전력 요구량보다 큰 경우, 배터리(340)보다 전하 버퍼(320)가 우선적으로 충전되도록 전하 버퍼 제어 로직(310) 및 배터리 제어 로직(330)을 제어할 수 있다.
전원 공급 장치(50)의 전력 용량은 휴대용 전자 장치(300)의 평균 전력 소모량에 기초하여 설계되고, 평균 전력 소모량은 휴대용 전자 장치(300)의 피크 전력 요구량보다 작을 수 있다.
이하에서는 배터리 노화를 완화하기 위한 방법을 휴대용 전자 장치 중 하나인 노트북 컴퓨터를 예로 들어 살펴본다.
배터리 노화 완화 방법
적은 용량의전원 공급 장치, 다시 말해, 공급 전원이 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량에 부족한 전원 공급 장치로 인한 배터리 노화를 완화하기 위해, 노트북 컴퓨터의 프로세서 또는 전력 제어 모듈은 외부의 전원 공급 장치에 의해 동작되는 동안에 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를 식별할 수 있다.
일 실시예에서는 사용 시나리오를 설정하고, 사용 시나리오에 대응되는 적절한 작업 부하(workloads)를 선택할 수 있다. 배터리의 전류(충전 전류 및 방전 전류)는 작업 부하가 실행되고, 노트북이 전원 공급 장치에 연결되어 있는 상태에서 측정될 수 있다.
예를 들어, 배터리의 건강 상태(SOH) 열화와 같은 배터리의 노화는 배터리 전류 프로파일을 사용하여 식별될 수 있다. 여기서, 배터리의 건강 상태(SOH)는 배터리 사양과 관련된 배터리의 상태를 나타낸다. 배터리의 상태는 배터리의 용량 저하(capacity degradation) 상태로 이해될 수 있다. 용량 저하는 배터리의 수명 감소를 초래한다. 사용하지 않은 배터리의 기대 수명에 대비한 남은 수명의 비율은 배터리의 건강 상태(SOH)의 척도로 사용될 수 있다.
일반적인 배터리의 건강 상태(SOH) 열화 모델은 주기적인 충전 및 방전 순서만을 고려한다. 일 실시예에서는 배터리 전류 프로파일의 시계열(time series)을 통계 데이터(statistical data)로 변환할 수 있다. 이것은 배터리의 평균 잔존 용량(average SOC) 및 잔존 용량 스윙(SOC swing)이 시간에 따라 변화하지 않음을 의미한다. 잔존 용량(SOC)은 재충전된 배터리(recharged battery)의 최대 가능한 충전량에 대한 배터리의 가능 충전량의 비율로 이해될 수 있다.
일 실시예에서 배터리의 노화는 통계 데이터와 건강 상태(SOH) 열화 모델로부터 추정될 수 있다. 이하에서는 전하 버퍼로서 사용되는 슈퍼 커패시터의 용량을 결정하고, 슈퍼 커패시터의 용량에 대비한 배터리 노화의 완화 비율을 살펴보기에 앞서, 배터리 노화와 관련된 연구들을 살펴본다.
관련 연구
배터리 노화는 서로 다른 설정 상황들에 있는 배터리들에 대해 연구될 수 있다. 배터리는 사용하고 있지 않은 경우에도 일정 노화(calendar aging)에 노출될 수 있다. 일정 노화는 예를 들어, 저장된 배터리의 잔존 용량(SOC) 및 환경 온도와 같은 배터리의 보관 조건에 따라 달라질 수 있다.
사용 중인 배터리를 고려하면, 서로 다른 방전 C-rates에 대한 배터리 노화의 종속성이 연구되고 있다. 추가적인 온도 영향이 고려되는 경우, 방전은 C-rate를 대신하여, 평균 잔존 용량 및 잔존 용량 스윙에 의해 표현될 수 있다.
배터리 열화를 예측하기 위해 경험적 데이터 모델이 이용될 수 있다.
노트북 컴퓨터가 전원 공급 장치에 연결된 상태에서 배터리의 전류가 측정된 후, 전류 프로파일이 (배터리) 노화 모델에 적용되고, 배터리 수명의 열화가 유도될 수 있다. 노화 모델은 반복적으로 이용될 수 있다. 노화 모델은 예를 들어, 잔존 용량 스윙(SOC swing)에 대한 건강 상태(SOH) 열화, 평균 잔존 용량(average SOC) 및 배터리 온도 등과 관련될 수 있다.
벤치마크 프로그램에 의한 테스트부터 측정된 시계열 프로파일은 임의의 배터리 잔존 용량과 충, 방전의 혼합된 사이클을 가질 수 있다. 따라서, 시계열 프로파일은 아래의 <수학식 1>과 같이 평균 잔존 용량(average SOC)(
Figure 112015076864731-pat00001
), 및 평균 잔존 용량(average SOC)으로부터 유도된 정규화 편차 (
Figure 112015076864731-pat00002
)로 변환될 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00003
여기서,
Figure 112015076864731-pat00004
은 충전 및 방전되는 배터리의 m 번째 시간 간격(time interval)의 지속 시간(duration)이고,
Figure 112015076864731-pat00005
는 모든 간격들의 총 지속 시간이다.
아래의 <수학식 2>와 같이 표현되는 처리량 싸이클 N의 유효 개수는 마이크로싸이클(microcycles)로 다루어질 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00006
여기서,
Figure 112015076864731-pat00007
는 배터리의 정격 충전 용량(nominal charge capacity)이고, i(t)는 시간 t일 때 배터리에서 흐르는 충/방전 전류를 나타낸다.
잔존 용량 스윙(SOC swing) 및 처리량(throughput)을 설명하는 사이클에 있어서 수명 파라미터의 증가(increment)(L1)는 아래의 <수학식 3>과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00008
여기서,
Figure 112015076864731-pat00009
은 싸이클(cycle)의 시간(초)이고,
Figure 112015076864731-pat00010
는 25℃ 및 50% 잔존 용량(SOC)에서 80%의 용량(capacity)에 대한 기대 예상 수명(expected shelf life)(초)이다.
Figure 112015076864731-pat00011
는 25℃ 인 기준 배터리 온도(reference battery temperature)이고,
Figure 112015076864731-pat00012
는 처리량(throughput)의 상수 계수이며,
Figure 112015076864731-pat00013
는 방전 깊이(depth of discharge; DOD)를 위한 상수 지수(constant exponent)이다.
Figure 112015076864731-pat00014
는 30℃의 상수 값으로 설정한 배터리 온도이다.
방전 깊이(DOD)는 배터리 잔존 용량(SOC)의 대체 척도이다. 방전 깊이 1 (또는 100%)는 완전히 방전된 배터리(잔존 용량이 0%인 배터리)를 나타내고, 방전 깊이 0 (또는 0%)는 완전히 충전된 배터리(잔존 용량이 100% 인 배터리)를 나타낸다. 일반적으로 배터리를 표시된 용량만큼 사용한 뒤에도 약간 더 사용할 수 있기 때문에, 방전 깊이는 100%를 넘어설 수 있다. 이러한 상황을 잔존 용량으로는 표현할 수 없기 때문에, 방전 깊이를 사용함으로써 배터리의 잔존 용량을 보다 명확하게 표현할 수 있다.
평균 잔존 용량(average SOC) 및 리튬 이온 농도의 감소를 나타내는 수명 파라미터의 증가(L2)는 아래의 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00015
여기서,
Figure 112015076864731-pat00016
는 평균 잔존 용량(average SOC)에 대한 상수 계수이다.
배터리를 사용하는 동안에
Figure 112015076864731-pat00017
에 대한 노화의 증가는 아래의 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00018
여기서,
Figure 112015076864731-pat00019
는 온도가 매 10℃씩 증가함에 따른 붕괴율(decay rate)의 두 배이다.
노화 모델은 배터리의 유휴 시간(idle times)을 고려하는 데까지 확장될 수 있다.
유휴 시간 동안에 배터리는 사용되지 않고, 평균 잔존 용량(average SOC) 및 잔존 용량 스윙(SOC swing)으로 인한 노화의 증가도 발생하지 않는다. 따라서, 유휴 시간 동안에는 일정 노화만이 고려될 수 있다.
배터리의 유휴 시간에 대한 수명 파라미터는 아래의 <수학식 6>에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00020
여기서,
Figure 112015076864731-pat00021
은 유휴 시간의 총량을 나타내고,
Figure 112015076864731-pat00022
는 예를 들어, 15년으로 추정되는 저장 수명(shelf life)이다.
유휴 시간 동안의
Figure 112015076864731-pat00023
에 대한 노화량은 아래의 <수학식 7>과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00024
활성(active) 또는 유휴(idle)와 같은 배터리 사용에 따라, 수명 파라미터(L)은 아래의 <수학식 8>과 같이
Figure 112015076864731-pat00025
또는
Figure 112015076864731-pat00026
에 의해 증가될 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00027
수명 파라미터(L)의 이전 값(L1)에 대한 L2의 종속성으로 인해, 노화 모델에서는 시퀀스(sequence)의 시간적 순서(chronological order)가 중요하다. 수명 파라미터(L)은 [0,1] 범위의 값을 가질 수 있다. 여기서, 0은 새 배터리를 의미하고, 1은 남은 용량이 없는 배터리를 의미한다.
일 실시예에서 사용되는 배터리는 리튬 이온 배터리일 수 있다.
타겟이 되는 배터리에 대한 파라미터 피팅(parameter pitting)을 위한 구체적인 수명 데이터를 구하기는 쉽지 않다. 따라서, 일 실시예에서는 방전 깊이(DOD) 0.35 ~ 0.95에 대한 Kco = 3:66 x10-5이고, Kex = 0:717, Ksoc = 0:916 및 Kt = 0:0693인 A123 ANR26650M1A 리튬 이온 배터리 셀로부터 유도된 파라미터를 사용할 수 있다. 배터리 온도(
Figure 112015076864731-pat00028
)는 30℃로, 기준 배터리 온도(
Figure 112015076864731-pat00029
)는 25℃로 설정될 수 있다.
일 실시예에서는 전원 공급 장치에 연결된 배터리의 노화를 완화하기 위해 배터리 및 슈퍼 커패시터로 구성된 하이브리드 에너지 저장 장치를 이용할 수 있다. 일반적으로 슈퍼 커패시터로 알려진 전기 이중층 커패시터는 에너지 입력에 대한 에너지 출력의 비율로 정의될 수 있다. 슈퍼 커패시터는 거의 100%에 도달하는 우수한 싸이클 효율을 가질 수 있다. 또한, 슈퍼 커패시터는 높은 충, 방전 사이클 주기를 가지며 노화를 발생시키지 않는다.
실험 설정
이하에서는 노트북 컴퓨터가 전원 콘센트(power outlet)에 접속될 때 방전 전류의 존재를 살펴보고, 이후 프로파일들에 대한 배터리 노화를 계산하는 데에 사용되는 벤치마크 프로그램들을 이용한 사용 프로파일을 정의한다.
[표 1]은 전원 공급 장치에 의해 가용한 전력을 가지는 두 개의 노트북 컴퓨터들(Lenovo T530-2359-A44, 및 Apple MacBook Pro)의 명시된 최대 소비 전력을 비교한 결과를 나타낸다.
Figure 112015076864731-pat00030
[표 1]에서 레노버 노트북 컴퓨터의 경우, 명시된 전력 수요가 전원 공급 장치에 의해 제공되는 전력을 4W 초과하는 경우를 나타내고, 애플 노트북 컴퓨터의 경우, 그 간극(gap)이 더 큰 19W일 때를 나타낸다. 이하에서는 노트북 컴퓨터의 소비 전력이 전원 공급 장치에 의해 공급되는 전력을 초과하는 경우를 살펴본다.
레노버 노트북 컴퓨터가 90W의 전원 공급 장치를 사용하고, 전원 공급 장치에 연결되어 있는 동안에 무거운 게임 작업 부하를 실행하는 경우를 고려하자. 게임 작업 부하에 대한 전류 프로파일(Current profile)은 예를 들어, 도 4와 같이 나타날 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따라 완전히 충전된 배터리에서 게임 작업 부하에 대한 전류 프로파일을 나타낸 그래프이고, 도 5는 일 실시예에 따른 게임 작업 부하에 대한 전반적인 방전 프로파일(discharge profile)을 나타낸 그래프이다. 도 4에서 음수의 전류는 배터리의 방전을 나타낸다.
도 4는 배터리가 방전 전류에 노출되어 있음을 보여준다. 이것은 도 5의 배터리의 잔존 용량(SOC)의 방전 프로파일을 초래하는 전류의 10초 발췌(부분)이다.
도 5를 참조하면, 전원 공급 장치는 피크 전력 요구량(peak power demand)을 제공할 수 없기 때문에 배터리는 방전될 수 있다. 배터리의 잔존 용량(SOC)이 높은 경우, 배터리의 잔존 용량(SOC)은 전력 부족을 보상하기 위해 감소될 수 있다. 이하에서는 도 6을 참조하여 배터리가 낮은 잔존 용량을 가지는 경우에 대해 살펴본다.
도 6은 일 실시예에 따라 25% 충전된 배터리에서 게임 작업 부하에 대한 배터리 잔존 용량 프로파일(Battery SOC profile)을 나타낸 그래프이다.
예를 들어, 배터리가 25%의 낮은 잔존 용량(SOC)을 가지는 경우, 여전히 방전 전류를 가지지만, 도 6에 도시된 것과 같이 전원 공급 장치는 평균 전력 소비량을 충족할 수 있다. 이것은 사용 프로파일(usage profile)을 구축하는 데에 중요하다.
노트북 컴퓨터에서 배터리를 분리하고, 동일한 벤치마크 프로그램을 실행하는 경우, 전력 제어 모듈은 프로세서의 주파수를 감소시키고, 노트북의 성능을 제한할 수 있다.
일 실시예에서는 배터리 내부 안전 회로의 차단(cut-off) 잔존 용량인 20%까지 배터리를 방전함으로써, 프로파일에서 100% 잔존 용량 한도로 사용되는 배터리의 사용 가능 용량을 결정하고, 노트북 컴퓨터의 전원이 켜져 있는 동안에 외부 전원 공급 장치에 의해 배터리를 재충전할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리가 충전되는 동안의 배터리 잔존 용량 프로파일을 나타낸 그래프이고, 도 8은 일 실시예에 따른 배터리가 충전되는 동안의 배터리 전류 및 배터리 전압 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 배터리의 충전 프로파일이 도시된다.
도 7 및 도 8의 그래픽에서는 20%의 차단(cut-off) 잔존 용량이 0% 잔존 용량으로 설정될 수 있다. 작업 부하의 두 가지 카테고리들에 대해 잔존 용량 프로파일이 측정될 수 있다.
일 실시예에서는 실제 게임 작업 부하로서 EA 게임사의 온라인 3D 기반 도시 계획 시뮬레이션 비디오 게임인 심시티(SimCity) 뿐만 아니라 퓨처마크 사의 벤치마크 프로그램들 3DMark06, 3DMark08, 오피스 작업 부하로서 퓨처마크 사의 피시 마크워크(PCMark Work), 크리에이티브(Creative), 및 워크(Work) 테스트를 실행할 수 있다.
카테고리 내에서 작업 부하들 간의 배터리 잔존 용량에 영향을 미치는 현저한 차이는 없다. 일 실시예에서는 게임 작업 부하로서 실제 게임인 심시티(SimCity)와 사무실 작업 부하로서 피시 마크워크(PCMark Work)의 두 가지 부하 특성만을 고려할 수 있다. 일 실시예에서는 반복적으로 테스트를 실행하고, 미리 정의된 사용자 유형에 대한 작업 부하 및 유휴 시간을 스케줄할 수 있다.
노화 결과
배터리의 전류는 두 개의 서로 다른 작업 부하에 대해 기록되고, 예제적인 매일의 사용 프로파일이 설계될 수 있다. 사용 프로파일은 사용자가 일년 내내 동일한 동작을 수행한다는 가정 하에서 24시간 내 새 배터리의 배터리 열화를 계산하는 데에 사용될 수 있다. 일 실시예에서는 종일 게임 또는 벤치마크 프로그램을 수행하는 대신에, 하루 동안의 노트북 사용을 재연하기 위해 데이터가 반복 및 연속될 수 있다.
아래의 [표 2]는 4 개의 사용 프로파일들을 도시하고, 도 9는 [표 2]에 도시된 네 개의 서로 다른 사용 사례들의 배터리 잔존 용량을 도시한다.
Figure 112015076864731-pat00031
[표 2]에서 각각은 하루 24시간 동안의 24 개의 슬롯들을 나타낸다. [표 2]에서 게임 작업 부하는 "g"로 표시되고, 오피스 워크 벤치마크 프로그램에 의해 생성된 오피스 작업 부하는 "w"로 표시된다. [표 2]에서 말미의 유휴 시간은 매일의 프로파일의 마지막에서 배터리의 완전한 충전을 보장한다.
도 9는 일 실시예에 따른 사용 프로파일(usage profile)을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 예를 들어, 게임 작업 부하와 같이 과도한 작업 부하 하에서 배터리에 방전 전류가 발생함을 볼 수 있다.
노화 모델을 사용 프로파일들에 적용하면 배터리 열화가 계산될 수 있다. 일 실시예에서는 새 배터리를 가정하고, 하루 후의 배터리 열화를 계산할 수 있다. 이 값(하루 이후의 열화 값)을 사용하면 매일의 사용 프로파일이 노트북에 적용되는 경우의 수명 감소를 유도할 수 있다.
아래의 [표 3]은 네 개의 사용 프로파일들에 대한 일년의 관점에서의 총 수명 감소와 하루 동안의 배터리 열화 및 배터리를 사용하지 않는 경우의 일정 노화를 나타낸다.
Figure 112015076864731-pat00032
[표 3]에서 100%의 수명(Life time)은 전체 15년의 저장 수명(shelf life)을 나타내고, 반면에 예를 들어, 17.95%는 배터리 용량이 2.69 년 후에 초기 값의 80 %로 감소되는 것을 의미한다. [표 3]에서 볼 수 있듯이, 수명 감소는 17.95% 와 22.96%. 사이에서 변화할 수 있다.
저장 수명을 15년으로 가정하면, 배터리 용량은 대략 3년 후에 초기 용량의 80% 수준으로 감소하고, 배터리는 교체되어야 한다. 이와 같은 결과는 전원 공급 장치에 의해 충족될 수 없는 높은 피크 전력의 수요로 인해 배터리가 노화함을 시사한다. 상기 결과는 전원 공급 장치의 공급 전원과 노트북 부품의 최대 누적 전력 수요 간의 4W의 부족량이 배터리 노화를 발생시킴을 나타낼 수 있다. 이하에서는 도 10을 참조하여 커패시터를 이용한 노화 완화를 설명한다.
도 10은 일 실시예에 따른 배터리 잔존 용량이 대략 25% 인 동안에 높은 작업 부하를 가지는 배터리 전류 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 10에서 배터리 전류 프로파일은 제로(0) 부근을 중심으로 한다. 따라서, 배터리는 충전되기도 하고, 방전되기도 한다.
고려된 시나리오에서 노화로부터 배터리를 보호하는 가장 쉬운 방법은 대용량의 전원 공급 장치를 사용하는 것이다. 하지만, 사용자는 작은 사이즈 및 가벼운 무게의 전원 공급 장치를 선호한다. 아래의 [표 4]는 서로 다른 공급 전원을 가지는 전원 공급 장치(충전기)들의 크기 및 무게를 비교한 결과를 나타낸다.
Figure 112015076864731-pat00033
전원 공급 장치가 원래 무게의 반 이상으로 감소되는 경우, 충전기 전력의 1/3이 감소된 것을 볼 수 있다.
일 실시예에 따른 휴대용 전자 장치는 전하 버퍼로 삽입된 슈퍼 커패시터에 노출되는 전류를 식별할 수 있다. 이를 위해, 노트북 컴퓨터가 콘센트에 연결되면 배터리 잔존 용량이 100%이거나 곧 100%에 근접하는 것으로 가정한다. 배터리의 충전 프로토콜은 정전압(constant Voltage; CV) 모드이고, 충전되는 전류는 최대가 아니다.
슈퍼 커패시터를 충전하는 보다 현실적인 전류를 찾기 위해, 일 실시예에서는 대략 25%의 낮은 잔존 용량에서 동일한 게임 부하를 수행할 수 있다.
배터리는 도 10에서와 같이 충전 및 방전되는 반면, 누적된 배터리 잔존 용량(SOC)은 도 6과 같이 약간 증가할 수 있다. 다시 말해, 전원 공급 장치는 비록 외부 전원 공급이 노트북 컴퓨터에 충분한 전력을 공급하는 데에 실패하더라도 평균 전력 소모량을 만족할 수 있다.
일 실시예에서는 가장 깊은 방전 깊이(DOD)를 가진 사용자 2(User 2) 프로파일을 선택하고, 보다 현실적인 접근을 위해 리튬 이온 배터리의 CC-CV(정전류-정전압) 충전 프로토콜을 고려한다. 이하에서는 도 11을 참조하여 일상의 배터리 잔존 용량의 저하 및 슈퍼 커패시터에 저장되는 에너지 최소량 간의 관계를 살펴본다.
도 11은 일 실시예에 따른 게임 벤치마크 프로그램을 수행하는 경우에 배터리를 대신하는 슈퍼 커패시터의 전압 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 하루마다의 배터리 잔존 용량의 저하와 관련된 최소 에너지 저장량이 도시된다.
일 실시예에서는 배터리의 잔존 용량에 의해 단자 전압(terminal voltage)이 거의 선형으로 변화한다는 사실을 고려하여, 슈퍼 커패시터-배터리 하이브리드 구조에 기초한 내장 배터리의 노화를 완화하는 설정으로 도 1 내지 도 3에 도시된 구조를 사용할 수 있다.
슈퍼 커패시터의 단자 전압에서의 큰 스윙은 또한 슈퍼 커패시터와 DC 버스 간에 연결된 전력 변환 효율(power converter efficiency)에서 큰 변화를 초래할 수 있다. 외부의 전원 공급 장치(충전기)의 효율은 입력 전압, 출력 전압, 및 입력 전류에 의해 영향을 받을 수 있다.
일 실시예에서는 예를 들어, 한밤과 같이 노트북을 사용하지 않는 시간에는 노트북의 배터리가 방전되지 않도록 외부 전원 공급 장치를 노트북과 연결한다고 가정한다. 따라서, 노트북에 포함된 슈퍼 커패시터의 콜드 스타팅(cold starting) 상황은 발생하지 않는다. 일 실시예에서는 슈퍼 커패시터의 전압 레벨의 하위 경계를 10V로 설정하고, 상위 경계를 15V로 설정할 수 있다. 이하에서는 도 12 및 도 13을 참조하여 배터리 열화를 감소시키는 적절한 슈퍼 커패시터의 용량을 찾는 방법을 살펴본다.
도 12는 일 실시예에 따른 배터리 잔존 용량의 저하를 줄이기 위한 정전 용량(capacitance)의 최소량을 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 전원 공급 장치의 효율을 고려할 때의 슈퍼 커패시터의 정전 용량과 배터리 잔존 용량(SOC)의 저하 간의 관계가 도시된다. 도 12의 결과는 랩탑 컴퓨터의 배터리를 15V의 전압 레벨을 가진 120mF 슈퍼 커패시터에 의해 교체하고, 게임 벤치마크 프로그램을 수행함으로써 검증될 수 있다. 일 실시예에서는 검증을 위해서, 추가적인 충전 회로를 사용하지 않았다.
슈퍼 커패시터의 용량은, 휴대용 전자 장치에서 요구되는 모든 에너지를 버퍼링하고 동일한 손실을 견딜 수 있도록, 계산된 최소 용량에 비해 10배 큰 것으로 선택할 수 있다.
일 실시예에서는 배터리를 포함하는 경우(With battery), 배터리를 제거한 경우 (No battery), 및 배터리를 슈퍼 커패시터로 대체한 경우(supercapacitor)에 전원 공급 장치(충전기)의 다양한 조합에 대한 벤치마크 프로그램(3DMark06)의 수행 결과들을 비교할 수 있다. 벤치마크 프로그램(3DMark06)은 CPU 및 GPU를 극심하게 사용할 수 있다.
벤치마크 프로그램(3DMark06)의 수행 결과들은 [표 5]와 같이 나타날 수 있다. [표 5]에서 전원 공급 장치(충전기)는 예를 들어, 135W의 공급 전원을 가지거나, 90W의 공급 전원을 가지거나, 사용되지 않을 수 있다.
Figure 112015076864731-pat00034
벤치마크 프로그램의 수행 결과들에서의 사소한 측정 부정확성을 고려할 때, [표 5]의 결과는 배터리를 동일 크기의 슈퍼 커패시터에 의해 교체하는 것이 벤치마크 결과들에 대한 감소로 이끌지 않는다는 것을 보여준다.
하나의 콘센트가 가용한 경우, 배터리 수명 및 성능을 향상시키기 위해 전원 공급 장치가 사용되어야 한다는 것을 알 수 있다. 대전류(high currents)에서 깊은 배터리 방전이 피크 요구를 만족시키기 위한 낮은 전류보다 더 나쁘기 때문에 배터리 노화는 감소될 수 있다. 그리고, 벤치마크 프로그램들의 수행 결과들의 관점에서 실제 노트북의 성능은 더 좋다.
일 실시예에서는 대략적인 커패시터의 크기를 결정할 수 있다.
손실을 보상하기 위해 약간의 정전 용량을 추가 할 경우, 추가 전력이 배터리로부터 인출되는 것을 방지하기 위해 정전 용량은 적어도 5mF 내지 10 mF 의 범위를 가질 수 있다. 이 범위는 전해 콘덴서(Electrolytic capacitors)로부터 슈퍼 커패시터로의 전환 범위에 해당한다.
아래의 [표 6]은 전해 콘덴서, 슈퍼 커패시터 및 대체 배터리의 가격 및 크기를 나타낸다. 정격 전압으로 인해 10mF, 20mF, 및 30mF 의 다수의 슈퍼 커패시터들이 사용될 수 있다.
아래의 [표 6]에 도시된 바와 같이, 이들 전해 콘덴서와 슈퍼 커패시터 간의 주요 차이점은 가격 및 크기에 있다.
Figure 112015076864731-pat00035
전해 콘덴서는 저렴하지만, 슈퍼 커패시터는 작은 크기를 가진다. 이들 두 옵션은 새로운 배터리를 구입하는 것에 비해 훨씬 저렴하다. 일 실시예에서 55%의 수명은 8.25년에 해당할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 게임 벤치마크 프로그램을 수행하는 때에 배터리를 대신하는 슈퍼 커패시터의 전압 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, 배터리를 완전히 제거한 후 슈퍼 캐패시터에 의해 배터리를 대치하였을 때 슈퍼 캐패시터의 전압을 측정한 그래프가 도시된다.
배터리 충전 장치는 슈퍼 캐패시터를 배터리로 인식하여 리튬 이온 배터리의 표준 충전 전압인 12.7V까지 슈퍼 캐패시터를 충전시킬 수 있다. 이후, CPU 및 GPU에서 피크 전력 수요가 발생하여 전원 공급 장치가 피크 전력 수요를 공급하지 못하면, 도 13에서 보여지는 것과 같이 슈퍼 캐패시터에서 효과적으로 전력을 공급할 수 있다. 전원 공급 장치의 평균 공급 전력이 시스템이 요구하는 평균 소모 전력 보다 높기 때문에, 슈퍼 캐패시터는 12.7V까지 충분히 중간 중간 충전되며, 전원 공급 장치의 피크 공급 전력이 시스템이 요구하는 피크 소모 전력보다 낮기 때문에, 슈퍼 캐패시터의 전압이 떨어지는 것을 명백히 알 수 있다.
일 실시예에 따르면, 피크 전력 요구량을 만족시키기 위해 사용되는 슈퍼 커패시터의 사용이, 배터리로부터 전력을 인출하여 노화를 촉진시킴으로써 짧은 시간 후에 배터리를 교체하도록 하는 것보다 훨씬 비용 효율적인 해결책이 될 수 있다.
일 실시예에서는 전원 공급 장치(충전기)의 전력과 노트북 컴퓨터의 전력 요구량 간의 단지 4W의 차이가 중요한 배터리 노화, 예를 들어, 일정 노화의 22.96 %에 해당하는 수명 감소로 이어질 수 있음을 보았다.
노트북 컴퓨터가 전원 공급 장치에 연결된 동안의 배터리 방전 문제는 게임과 같은 높은 작업 부하에 대해 발생하고, 오피스의 작업과 같이 낮은 작업 부하는 배터리에 영향을 주지 않는다. 따라서, 일 실시예에서는 전원 공급 장치의 크기를 줄이고, 노트북 컴퓨터 내에 피크 전력 요구량을 위한 버퍼로서 슈퍼 커패시터를 사용할 공간을 마련할 수 있다.
휴대용 전자 장치에서 제공되는 전력과 전원 공급 장치에 의해 공급되는 전력 간의 부족량은 심한 노화의 가속화를 초래할 수 있다. 요약하자면, 전원 공급 장치의 용량이 최대 전력 수요(다시 말해, 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량)보다 작은 전원 공급 장치에 의해 노트북이 구동되더라도 배터리가 노화한다는 것이다.
감소된 용량의 전원 공급 장치가, 예를 들어, 비용, 무게, 형상 계수(form factor) 등의 관점에서 장점을 가지지만, 이는 노트북이 전원 공급 장치에 의해 구동될 때 심각한 배터리 노화를 초래할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서는 측정 및 시뮬레이션에 의해 감소된 용량의 전원 공급 장치에서의 배터리 노화 문제를 분석할 수 있다.
일 실시예에서는 대표적인 벤치마크 프로그램으로 구성된 실제 사용 시나리오 하에서 배터리 노화를 정량화하고, 배터리의 노화를 완화하기 위해 슈퍼 커패시터를 사용하였다. 실험 결과, 단 2mF의 정전 용량을 가진 슈퍼 커패시터 만으로도 커패시터를 사용하지 않는 경우에 비해 수명이 대략 세 배 이상 증가하는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
50: 전원 공급 장치
100: 휴대용 전자 장치
110: 전하 버퍼 제어 로직
120: 전하 버퍼
130: 배터리 제어 로직
140: 배터리
150: 부하
160: 전력 제어 모듈
170: DC 버스

Claims (20)

  1. 휴대용 전자 장치에 있어서,
    상기 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 배터리;
    상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 제어 로직;
    전하를 버퍼링하는 전하 버퍼(charge buffer);
    상기 전하 버퍼의 충전 및 방전을 제어하는 전하 버퍼 제어 로직; 및
    상기 휴대용 전자 장치가 외부의 전원 공급 장치(power supply)의 공급 전원에 의해 동작하는 중에
    상기 공급 전원이 상기 휴대용 전자 장치의 전력 요구량에 부족한 경우, 상기 배터리보다 상기 전하 버퍼로부터 우선적으로 전력이 방전되도록 상기 배터리 제어 로직 및 상기 전하 버퍼 제어 로직을 제어하고,
    상기 공급 전원이 상기 전력 요구량을 초과하는 경우, 상기 배터리보다 상기 전하 버퍼에 우선적으로 전력이 충전되도록, 상기 배터리 제어 로직 및 상기 전하 버퍼 제어 로직을 제어하며,
    상기 휴대용 전자 장치가 상기 배터리의 공급 전원에 의해 동작하는 경우, 상기 배터리의 전원의 공급 시점(t)의 상기 배터리의 잔존 용량(SOC(t))과 상기 배터리의 평균 잔존 용량(mean SOC) 간의 차이가 최소화되도록 상기 배터리 제어 로직을 제어하는 전력 제어 모듈
    을 포함하고,
    상기 전원 공급 장치의 전력 용량은
    상기 휴대용 전자 장치의 평균 전력 소모량보다 크고, 상기 평균 전력 소모량은 상기 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량보다 작으며,
    상기 전하 버퍼의 용량은
    상기 전원 공급 장치의 평균 전력 용량, 상기 배터리의 순간 전력 용량, 및 상기 피크 전력 요구량 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는, 휴대용 전자 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어 모듈은
    상기 공급 전원이 상기 전력 요구량보다 큰 경우, 상기 배터리보다 상기 전하 버퍼가 우선적으로 충전되도록 상기 전하 버퍼 제어 로직 및 상기 배터리 제어 로직을 제어하는, 휴대용 전자 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어 모듈은
    부하로 공급되는 전압 및 전류 중 적어도 하나를 측정하고, 상기 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 공급 전원이 상기 전력 요구량에 부족한지 여부를 판단하는, 휴대용 전자 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전하 버퍼는
    전기 이중층 커패시터(Electric double layer capacitors)를 포함하는, 휴대용 전자 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전하 버퍼의 용량은
    상기 배터리의 평균 잔존 용량(SOC), 잔존 용량 스윙(SOC swing), 상기 잔존 용량 스윙에 대한 배터리의 건강 상태(SOH) 열화, 방전 깊이(DOD) 및 배터리 온도 중 적어도 하나에 기초한 시뮬레이션 결과에 따라 결정되는, 휴대용 전자 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전하 버퍼의 용량은
    5mF 내지 10mF 인, 휴대용 전자 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전하 버퍼 제어 로직은
    파워 컨버터(power converter)를 포함하는, 휴대용 전자 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 휴대용 전자 장치를 구동하는 프로세서; 및
    상기 휴대용 전자 장치에 전원을 공급하는 외부 전원 공급 장치의 직류 전압을 상기 프로세서를 위한 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터
    를 더 포함하는, 휴대용 전자 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전력 제어 모듈은
    상기 DC-DC 컨버터에 의하여 출력되는 전압 및 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 공급 전원이 상기 전력 요구량에 부족한지 여부를 판단하는, 휴대용 전자 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는
    구동 중인 프로그램에 기초하여 상기 전력 요구량을 예측하고, 상기 예측된 전력 요구량과 관련된 정보를 상기 전력 제어 모듈에 제공하는, 휴대용 전자 장치.
  13. 휴대용 전자 장치에 있어서,
    상기 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 배터리;
    상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 제어 로직;
    전하를 버퍼링하는 전하 버퍼;
    상기 전하 버퍼의 충전 및 방전을 제어하는 전하 버퍼 제어 로직;
    상기 휴대용 전자 장치를 구동하는 프로세서; 및
    상기 휴대용 전자 장치에 전원을 공급하는 외부 전원 공급 장치의 직류 전압을 상기 프로세서를 위한 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터
    를 포함하고,
    상기 프로세서는
    상기 DC-DC 컨버터에 의하여 출력되는 전력이 상기 휴대용 전자 장치에서 실행되는 프로그램이 요구하는 전력 요구량보다 부족한 경우,
    상기 배터리보다 상기 전하 버퍼로부터 우선적으로 전력이 방전되도록 상기 배터리 제어 로직 및 상기 전하 버퍼 제어 로직을 제어하고,
    상기 DC-DC 컨버터에 의하여 출력되는 전력이 상기 전력 요구량을 초과하는 경우, 상기 배터리보다 상기 전하 버퍼에 우선적으로 전력이 충전되도록, 상기 배터리 제어 로직 및 상기 전하 버퍼 제어 로직을 제어하고,
    상기 휴대용 전자 장치가 상기 배터리의 공급 전원에 의해 동작하는 경우, 상기 배터리의 전원의 공급 시점(t)의 상기 배터리의 잔존 용량(SOC(t))과 상기 배터리의 평균 잔존 용량(mean SOC) 간의 차이가 최소화되도록 상기 배터리 제어 로직을 제어하며,
    상기 전원 공급 장치의 전력 용량은
    상기 휴대용 전자 장치의 평균 전력 소모량보다 크게 설계되고, 상기 평균 전력 소모량은 상기 휴대용 전자 장치의 피크 전력 요구량보다 작으며,
    상기 전하 버퍼의 용량은
    상기 전원 공급 장치의 평균 전력 용량, 상기 배터리의 순간 전력 용량, 및 상기 피크 전력 요구량 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는, 휴대용 전자 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전하 버퍼는
    전기 이중층 커패시터를 포함하는, 휴대용 전자 장치.
  18. 삭제
  19. 제13항에 있어서,
    상기 전하 버퍼의 용량은
    상기 배터리의 평균 잔존 용량(State Of Charge; SOC), 잔존 용량 스윙(SOC swing), 상기 잔존 용량 스윙에 대한 배터리의 건강 상태(SOH) 열화, 방전 깊이(Depth Of Discharge; DOD) 및 배터리 온도 중 적어도 하나에 기초한 시뮬레이션 결과에 따라 결정되는, 휴대용 전자 장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 전하 버퍼 제어 로직은 파워 컨버터(power converter)를 포함하는, 휴대용 전자 장치.
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