KR102055510B1 - 적응적 배터리 충전 제어 방법 및 배터리 충전장치 - Google Patents

적응적 배터리 충전 제어 방법 및 배터리 충전장치 Download PDF

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Abstract

적응적 배터리 충전 제어 방법은 충전장치가 측정된 배터리의 온도를 기준으로 정전류 모드에서 상기 배터리를 충전하기 위한 초기 충전 전류량을 결정하는 단계, 상기 충전장치가 상기 초기 충전 전류량의 전류를 이용하여 목표 충전전압까지 상기 정전류 모드로 상기 배터리를 충전하는 단계 및 상기 충전장치가 상기 목표 충전전압에서 정전압 모드로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.

Description

적응적 배터리 충전 제어 방법 및 배터리 충전장치{ADAPTIVE CONTROL METHOD AND APPARATUS FOR CHARGING BATTERY}
이하 설명하는 기술은 배터리 충전 방법 내지 충전장치에 관한 것이다.
배터리 기술 발달과 함께 다양한 휴대용 전자 장치 내지 무선 전자 장치가 시장에 등장하였다. 나아가 스마트폰과 같은 휴대 장치를 충전하기 위한 보조 배터리 시장도 성장하고 있다. 휴대용 전자장치는 전기 에너지를 화학 에너지 형태로 저장하는 이차 전지를 배터리로 사용한다. 대표적인 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있다.
이차전지는 화학 물질에 따라서 특성이 다양한 용량과 형태로 제조된다. 예컨대, 고용량 특성의 셀은 수명 및 안전성이 떨어지고, 장수명 특성의 셀은 용량이 적어서 셀이 크고 무거워서 휴대성이 떨어진다. 배터리 수명은 영구이지 않고, 사용자의 지속적인 충전 및 방전을 통해 점진적으로 용량이 감소가 되면서 수명이 저하된다.
한국공개특허 제10-2012-0010029호
배터리 수명은 충전전류, 충전전압, 충전온도 등에 따라 많은 차이가 날 수 있다. 이하 설명하는 기술은 실시간으로 배터리 셀의 상태를 감시하고, 최적의 조건으로 배터리를 충전하도록 제어하는 기법을 제공하고자 한다.
적응적 배터리 충전 제어 방법은 충전장치가 측정된 배터리의 온도를 기준으로 정전류 모드에서 상기 배터리를 충전하기 위한 초기 충전 전류량을 결정하는 단계, 상기 충전장치가 상기 초기 충전 전류량의 전류를 이용하여 목표 충전전압까지 상기 정전류 모드로 상기 배터리를 충전하는 단계 및 상기 충전장치가 상기 목표 충전전압에서 정전압 모드로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.
적응적 배터리 충전장치는 배터리를 충전하는 배터리 충전부, 상기 배터리의 온도를 감지하는 배터리 모니터링부 및 상기 온도를 기준으로 정전류 모드에서 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전류량을 결정하고, 상기 충전 전류량에 따라 충전을 시작하도록 상기 배터리 충전부를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는 상기 온도에 따라 변화하는 배터리의 용량의 변화량에 대응되게 상기 충전 전류량을 조절한다.
이하 설명하는 기술은 배터리 충전 상태를 최적으로 조절하여 배터리 용량 감소를 최소화하고 수명을 연장한다. 나아가 이하 설명하는 기술은 충전시 열화, 발화, 폭발 등의 문제를 해결한다. 이하 설명하는 기술을 배터리에 적용하여 휴대용 제품의 경쟁력을 극대화하고 제품의 안성성도 확보할 수 있다.
도 1은 배터리 충전장치의 구성을 도시한 블록도의 예이다.
도 2는 배터리 충전 제어 방법에 대한 순서도의 예이다.
도 3은 온도에 따른 충전 전류량 결정 과정에 대한 순서도의 예이다.
도 4는 가용용량에 따라 충전전압을 결정하는 테이블의 예이다.
도 5는 가용용량에 따라 충전전류를 결정하는 테이블의 예이다.
도 6은 배터리 수명의 개선 효과를 나타내는 그래프이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
먼저 이하 설명에서 사용하는 용어에 대해 설명한다.
배터리는 충전이 가능한 이차전지를 의미한다.
충전장치는 배터리를 충전하는 장치를 의미한다. 충전장치는 내장된 배터리를 충전하는 장치일 수 있다. 또 충전장치는 전원 단자를 통해 연결되는 외부 배터리를 충전하는 장치일 수도 있다. 충전장치는 다양한 회로 설계를 통해 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
배터리 충전과 관련된 용어를 설명한다.
용량(Capacity)은 한정된 기간에 걸쳐 일정한 율로 규정된 전기량을 방출할 수 있는 만충전 된 배터리의 능력을 말한다. 단위는 Ampere-Hour로 나타낸다. 예컨대, 특정 배터리의 용량은 10,000mAH일 수 있다.
배터리는 반복적인 충전 및 방전을 통해 점진적으로 용량이 감소된다. 반복적인 사용을 통해 배터리의 예상 수명(SOH: State of Health)이 줄어든다. SOH는 %로 표시한다. SOH가 100% 배터리의 용량을 초기 용량이라고 명명한다. 나아가 배터리의 반복적인 사용으로 용량이 감소하는데 줄어진 배터리의 현재 용량을 가용 용량이라고 명명한다. 즉, 가용 용량은 배터리 사용에 따라 값이 변화한다(줄어든다).
정전류 정전압 충전(Constant Potential Current Regulated Charge)은 충전 개시 시에는 일정한 전류로 충전하고, 충전이 진행되어 배터리의 충전전압이 일정한 설정 전압에 도달한 이후에는 그 일정한 전압으로 충전하는 방법이다.
정전류(Constant Current) 모드는 충전전압이 일정한 설정전압에 도달할 때까지 전류를 변경하지 않고 충전하는 모드이다. 약칭으로 CC 모드라고 한다.
정전압(Constant Voltage) 모드는 충전전압이 설정전압에 도달한 후 전압을 변경하지 않고 충전하는 모드이다. 약칭으로 CV 모드라고 한다.
정전류 정전압 충전에서 일정한 설정 전압을 목표 충전전압이라고 명명한다.
CC 모드에서 전류가 변동되면서 전압이 목표 충전전압까지 오르게 된다. 이때 전달되는 전류량을 충전 전류량이라고 명명한다. 충전 전류량은 CC 모드에서 시간에 따라 변경될 수 있다. 특히 CC 모드를 시작하는 최초 충전 전류량을 초기 충전 전류량이라고 명명한다.
전류량은 C 레이트(C-rate)로 표기할 수 있다. C 레이트는 배터리의 충전/방전 시 다양한 사용조건하에서의 전류값 설정 및 전지의 가능 사용시간을 예측하거나 표기하기 위한 단위이다. 충전/방전율에 따른 전류값의 산출은 충전 또는 방전전류를 전지 정격용량의 단위를 뺀 값으로 나누어 충전/방전 전류값을 산출한다. C 레이트의 단위는 C를 사용한다. 배터리는 일정한 정격용량을 갖는다. 즉 배터리는 종류에 따라 서로 다른 C 레이트 가질 수 있다.
도 1은 배터리 충전장치(100)의 구성을 도시한 블록도의 예이다. 배터리 충전장치(100)는 배터리가 내장된 휴대 장치 또는 보조 배터리와 같은 장치에 대한 예이다.
배터리부(110)는 전원을 충전할 수 있는 소정의 배터리 용량을 갖는다. 배터리부(110)는 충전장치(100)의 내부에 포함될 수 있는 내장형 배터리 또는 충전장치(100)의 외부에서 접속 가능한 외장형 배터리 모두 포함할 수 있다. 배터리부(110)는 리튬이온 또는 리튬 폴리머와 같은 이차전지를 포함할 수 있다.
한편 배터리는 일정한 스펙을 갖는다. 예컨대, 배터리는 충전 가능한 초기 용량을 나타내는 충전용량값, 충전용량값에 대응하여 설정된 충전전압값, 설정된 충전전류값, 가용 용량 값 등을 갖는다. 이는 제조사에서 초기 제공하는 값일 수 있다. 따라서 충전장치(100)는 이와 같은 배터리 스펙에 대한 정보를 획득할 수 있고, 이를 이용하여 충전할 수 있다고 전제한다. 한편 현재의 가용 용량은 충전장치(100) 또는 별도 장치가 지속적인 모니터링 및 시험을 통해 확인할 수 있다. 또는 가용 용량은 충전/방전 횟수 내지 시간에 따라 초기 용량에서 일정하게 줄어드는 값으로 결정될 수도 있다.
배터리 충전부(120)는 배터리부(110)를 충전할 수 있는 충전 회로를 포함한다. 배터리 충전부(120)는 충전을 위한 전류제어 내지 전압제어 기능이 있다.
전원공급부(130)는 배터리 충전장치(100)의 구성에 전원을 공급할 수 있다. 전원공급부(130)는 외부로부터 입력되는 상용 교류전원을 직류전원으로 변환시킬 수 있는 AC/DC 변환기를 포함할 수 있다.
방전회로부(140)는 전원공급부(130)로부터 공급되는 전원이 제거되고, 충전된 배터리부(110)를 사용할 경우 지속적으로 전압과 전류를 공급한다. 방전회로부(140)는 연결된 전자 장치(노트북, 휴대폰 등)에 전원을 공급한다.
배터리 모니터링부(150)는 배터리부(110) 충전시에 배터리의 용량, 전압, 전류 및 온도 등을 감지한다. 배터리 모니터링부(150)는 온도 센서를 사용하여 배터리의 온도를 감지할 수 있다. 배터리 모니터링부(150)는 별도의 측정 회로를 아용하여 배터리의 현재 용량, 전압 및 전류 등을 측정할 수 있다.
제어부(160)는 배터리 모니터링부(150)가 감지한 배터리의 상태 정보(온도 등)을 기준으로 배터리 충전부(120)에 제어 명령을 전달한다. 제어부(160)는 배터리 상태 정보에 기반하여 배터리 충전시의 전류 내지 전압 등을 제어한다.
도 2는 배터리 충전 제어 방법(200)에 대한 순서도의 예이다. 도 2는 배터리 충전장치(100)의 동작에 대한 하나의 예이다. 전술한 바와 같이 배터리 모니터링부(150)가 배터리의 상태를 감지하고, 제어부(160)가 감지한 정보에 기반하여 배터리 충전부(120)를 제어한다. 다만 이하 설명의 편의를 위해 각 단계를 수행하는 구체적은 구성을 언급하지 않고, 충전장치(100)가 각 단계를 수행하는 것으로 설명한다.
충전장치는 충전 대상인 배터리의 상태를 모니터링한다(210). 충전장치는 충전 중에도 계속 배터리의 상태를 모니터링할 수 있다.
충전장치는 먼저 배터리의 온도를 기준으로 충전 가부를 판단한다(220). 충전을 진행하게 되면, 충전장치는 CC 모드로 충전을 시작한다. 이때 충전장치는 배터리의 온도를 기준으로 일정한 충전 전류량을 결정하여 충전을 한다(230). 또 충전장치는 배터리의 온도를 기준으로 충전 전류량을 일정하게 변경하면서 충전을 한다(240). CC 모드의 충전이 종료되지 않았다면(즉 목표 충전전압에 이르지 못한 경우, 240의 No) 충전장치는 계속 배터리 모니터링 상태에 따라 충전 전류량을 변경하면서 CC 모드 충전들 진행한다.
CC 모드 충전이 종료된 경우(240의 YES), 충전장치는 CV 모드 충전을 수행한다(250). CV 모드 충전이 종료되면 전체 충전이 종료된다.
전술한 바와 같이 충전장치는 CC 모드에서 초기 충전 전류량을 결정하고, 충전 전류량을 변경하기도 한다. 도 3은 온도에 따른 충전 전류량 결정 과정(300)에 대한 순서도의 예이다.
일반적인 배터리 셀의 충전온도 조건은 0℃ ~ 60℃(섭씨를 기준으로 설명함)이나, 모든 온도 범위에서 모두 동일한 용량과 수명이 유지되지 않는다. 따라서 온도에 따라 배터리 수명이 최대가 되도록 전류량을 실시간 보정한다.
충전장치는 먼저 온도 정보를 수신하다(310). 배터리 모니터링부(150)가 배터리의 온도를 측정하여 온도 정보를 제어부(160)에 전달한다. 온도 정보는 배터리의 온도(T로 표시) 값을 포함한다. 충전장치는 온도 T를 기준으로 충전을 시작할지 또는 시작하게 되면 어떤 충전 전류량으로 충전할지 결정한다(320).
충전장치는 T가 0℃ 미만이거나, 60℃를 초과하는 경우 충전을 시작하지 않는다. 이후 충전장치는 배터리 온도를 모니터링하고, 적절한 온도 범위가 되어야 충전을 시작한다. 여기서 적절한 온도 범위는 0℃≤T≤60℃라고 가정한다. 또 온도 범위를 4개의 구간으로 구분하였다.
제1 구간은 0℃≤T<15℃이다. 제2 구간은 15℃≤T<25℃이다. 제3 구간은 25℃≤T<40℃이다. 제4 구간은 40℃≤T≤60℃이다. 도 3은 4개의 구간으로 구분하였지만, 충전장치는 보다 많은 구간을 기준으로 충전 전류량을 조절할 수 있다. 또 충전장치는 도 3과는 다른 온도 범위를 기준으로 충전 전류량을 조절할 수도 있다. 다만 배터리가 제1 구간에서 60% 용량을 갖고, 제2 구간에서 80% 용량을 갖고, 제3 구간에서 100% 용량을 갖고, 제4 구간에서 95% 용량을 갖는다고 가정한다. 일반적으로 배터리는 이와 유사한 용량 특성을 갖는다.
충전장치는 T가 0℃≤T≤60℃ 범위라면 CC 모드 충전을 시작한다. 먼저 충전장치는 CC 모드 시작을 위한 최초 충전 전류량을 결정한다(330). 설명의 편의를 위하여 도 3은 0.7C의 스펙을 갖는 배터리를 가정하였다. 충전장치는 T가 제1 구간의 범위라면 충전 전류량을 0.3C로 설정하여 충전을 시작한다. 충전장치는 T가 제2 구간의 범위라면 충전 전류량을 0.5C로 설정하여 충전을 시작한다. 충전장치는 T가 제3 구간의 범위라면 충전 전류량을 0.7C로 설정하여 충전을 시작한다. 충전장치는 T가 제4 구간의 범위라면 충전 전류량을 0.6C로 설정하여 충전을 시작한다.
충전장치는 배터리 온도에 따른 용량의 변화를 고려하여 적절한 충전 전류량으로 충전을 시작한다. 충전장치는 온도에 따른 배터리의 용량 변화에 대응되게 충전 전류량을 제어한다. 충전장치는 CC 모드에서 계속 온도 T에 따라 충전 전류량을 변경할 수 있다. 예컨대, 충전장치는 배터리의 최대 C 레이트를 기준으로 용량이 100%인 경우 최대 C 레이트로 충전 전류량을 결정한다. 또 충전장치는 용량이 줄어드는 온도 범위인 경우 최대 C 레이트를 기준으로 줄어든 용량에 비례하게 줄어든 C 레이트로 충전 전류량을 결정한다.
CC 모드가 종료되지 않은 경우 충전장치는 계속 온도 T를 기준으로 전류량을 조절할 수 있다(340의 NO 이후 과정). CC 모드가 종료된 경우, 충전장치는 CV 모드로 충전을 수행한다(350).
도 3은 특정한 온도 범위로 표시하였고, 이에 기반하여 설명하였다. 그러나 도 3에서 설명한 온도 범위들은 하나의 예이다. 도 3은 0℃ ~ 60℃를 4개의 온도 범위로 구분하였는데, 보다 세분화하여 온도 범위를 나눌 수 있다. 나아가 각 온도 범위는 동일한 범위(range)를 갖지 않고, 서로 다른 범위값을 가질 수도 있다.
도 3은 0.7C의 스펙을 갖는 배터리를 가정하여 설명하였다. 충전장치는 배터리의 C 레이트에 따라 적절한 값으로 충전 전류량을 결정할 수 있다.
기술의 주요 특징은 충전장치는 온도에 따라 수명을 최대한 보장할 수 있는 충전 전류량으로 CC 모드 충전을 수행하는 것이다. 따라서 충전장치가 충전량을 조절하는 온도 범위 또는 온도값은 도 3과 다를 수 있고, 충전 전류량도 도 3의 값과는 다른 값일 수 있다.
CC 모드에서 충전장치는 목표 충전전압까지 전압을 올린다. 이때 목표 충전전압도 적응적으로 결정될 수 있다. 충전장치는 배터리의 사용에 따른 용량 저하를 고려하여 목표 충전전압을 설정할 수 있다. 충전장치는 배터리의 용량 저하에 따라 선형적으로 목표 충전전압을 제어할 수 있다. 도 4는 가용용량에 따라 충전전압을 결정하는 테이블의 예이다. 도 4는 4.35V의 셀을 가정하였다. 도 4는 종래 일반 충전방식과 충전전압을 제어하는 예를 도시하였다.
배터리 셀의 수명 경과에 의한 가용 용량은 지속적으로 감쇄가 된다. 도 4는 100%에서 80%까지 가용 용량이 줄어드는 경우를 표시하였다. 종래 충전 방식은 가용용량 감소와 관계없이 동일한 전압으로 충전을 하게 되는데, 충전 전압이 높을수록 수명감소는 빨라지고, 전압이 낮을수록 수명이 향상된다. 따라서 충전장치는 이와 같은 특성을 이용하여, 용량이 감소가 될수록 충전전압은 미세하게 보정을 해주도록 하여 배터리의 수명을 연장한다.
충전장치는 배터리의 가용 용량의 저하에 대응되게 선형적으로 목표 충전전압을 조절한다. 예컨대, 충전장치는 "배터리 정격 전압 - (특정 단위 전압 * 가용용량 변화량)"과 같은 함수로 목표 충전전압을 제어할 수 있다. 도 4는 목표 충전 전압 = 4.35V - (0.0025V * 가용용량 감소비율%)로 충전전압을 제어하는 예이다. 예컨대, 가용용량이 99%로 1% 줄어든 경우 목표 충전전압은 4.35V-0.0025V이다. 가용용량이 90%인 경우, 목표 충전전압은 4.325V이다. 가용용량이 80%인 경우, 목표 충전전압은 4.3V이다.
CV 모드에서 충전장치는 목표 충전전압을 유지하면서 충전 전류를 변경한다. 배터리는 가용용량 감소에 따라 제공하는 전류량이 감소한다. 도 5는 10,000mAH이고, 0.7C의 스펙을 갖는 배터리에 대한 예이다. 도 5는 가용용량에 따라 충전전류를 결정하는 테이블의 예이다. 도 5는 종래 일반 충전 반식과 충전전류를 제어하는 예를 도시하였다.
종래 충전 방식은 가용용량의 저하를 고려하지 않고, 동일한 충전전류로 배터리를 충전한다. 가용용량이 감소됨에 따라 충전전류는 동일하더라도 충전율은 높아진다. 따라서 종래 방식 경우 점진적으로 배터리의 한계치를 벗어날 우려가 있다. 도 5에서 음영으로 표시한 영역(가용용량 60%, 40%, 20%)는 안정성이 저하되는 영역이다. 나아가 가용용량이 40% 또는 20%인 경우(*로 표시함) 안정성이 극도로 낮아져 셀의 열화, 발화, 폭발 가능성도 배제할 수 없다.
따라서 충전장치는 배터리의 현재 가용용량을 고려하여 충전 전류를 지속적으로 보정할 수 있다. 이 경우 도 5와 같이 배터리의 가용용량이 많이 줄어드는 경우에도 셀 수명이 다할 때까지 안정적인 상태를 유지할 수 있다. 물론, 배터리의 수명도 연장된다.
배터리는 일반용(저용량), 휴대폰/노트북용(고용량), 보조배터리용(초고용량)등으로 구분할 수 있다. 모바일 제품에 대한 경쟁력을 높이려면, 동일 체적대비 셀의 용량이 높을수록 우수한 셀이 좋다. 하지만, 초고용량 배터리는 수명문제로 노트북, 휴대폰 제품에는 사용이 어렵다. 초고용량 배터리에 대한 수명문제를 해결한다면 모바일 제품에도 초고용량 배터리 사용이 가능하다.
도 6은 배터리 수명의 개선 효과를 나타내는 그래프이다. 도 6에서 초기 에너지 밀도가 500 wh/L인 배터리는 고용량 배터리를 나타내고, 초기 에너지 밀도가 550 wh/L인 배터리는 초고용량 배터리를 나타낸다.
얇은 실선(A 표시)은 고용량 배터리이다. 고용량 배터리는 노트북이나, 휴대폰에 일반적으로 많이 사용되는 리튬이온, 리튬폴리머 등이다. 얇은 실선은 용량과 수명 특성으로 500회 수명 경과시 초기 용량대비 80%의 잔존 용량을 유지하는 것을 보여준다.
점선(B 표시)은 초고용량 배터리이다. 초고용량 배터리는 용량은 크지만 상대적으로 수명이 매우 짧아서 노트북이나, 휴대폰에 사용되지 않는다. 초고용량 배터리는 장수명을 필요로 하지 않는 보조배터리 등에 주로 사용된다. 점선은 셀의 수명이 300회만 사용해도 80%로 감쇄되는 것을 보여준다.
굵은 실선(C 표시)은 초고용량 배터리에 전술한 배터리 충전 제어 방법을 적용한 결과이다. 전술한 배터리 충전 제어 방법을 적용하여 초고용량 배터리를 충전하면 용량과 수명을 동시에 개선할 수 있다. 굵은 실선은 초기용량이 10% 이상 개선된 것으로 시작되어, 수명이 80% 감소되는 시점이 700회 이상인 것을 나타낸다.
또한, 상술한 바와 같은 배터리 충전 제어 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : 배터리 충전장치
110 : 배터리부
120 : 배터리 충전부
130 : 전원공급부
140 : 방전회로부
150 : 배터리 모니터링부
160 : 제어부

Claims (13)

  1. 충전장치가 측정된 배터리의 온도를 기준으로 정전류 모드에서 상기 배터리를 충전하기 위한 초기 충전 전류량을 결정하는 단계;
    상기 충전장치가 상기 초기 충전 전류량의 전류를 이용하여 목표 충전전압까지 상기 정전류 모드로 상기 배터리를 충전하는 단계; 및
    상기 충전장치가 상기 목표 충전전압에서 정전압 모드로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하되,
    상기 결정하는 단계에서 상기 충전장치는
    상기 온도가 0℃이상에서 제1 온도값 미만인 제1 구간 내인 경우, 상기 초기 충전 전류량을 제1 충전 전류량으로 결정하고,
    상기 온도가 상기 제1 온도값 이상에서 제2 온도값 미만인 제2 구간 내인 경우, 상기 초기 충전 전류량을 상기 제1 충전 전류량보다 높은 제2 충전 전류량으로 결정하고,
    상기 온도가 상기 제2 온도값 이상에서 제3 온도값 미만인 제3 구간 내인 경우, 상기 초기 충전 전류량을 상기 제2 충전 전류량보다 높은 제3 충전 전류량으로 결정하고,
    상기 온도가 상기 제3 온도값 이상에서 60℃미만인 제4 구간 내인 경우, 상기 초기 충전 전류량을 상기 제2 충전 전류량보다 높고 상기 제3 충전 전류량보다 낮은 제4 충전 전류량으로 결정하되,
    상기 제1 충전 전류량, 상기 제2 충전 전류량, 상기 제3 충전 전류량 및 상기 제4 충전 전류량은 상기 배터리의 최대 C 레이트(C-rate) 미만이고,
    상기 목표 충전전압은 상기 배터리의 최초 가용용량과 현재 가용용량의 차이값을 기준으로, 상기 최초 가용용량에서 설정된 충전전압에서 상기 차이값에 비례하여 줄어드는 값으로 설정되는 적응적 배터리 충전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전장치는 상기 온도를 기준으로 상기 배터리에 대한 충전 시작 여부를 결정하는 단계를 더 포함하되, 상기 충전장치는 상기 온도가 하한값 미만이거나, 상한값 초과인 경우 상기 배터리 충전을 하지 않는 적응적 배터리 충전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는
    상기 충전장치가 사전에 설정된 복수의 온도범위 중 상기 온도가 속하는 온도 범위에 따라 상기 초기 충전 전류량을 결정하는 적응적 배터리 충전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는
    상기 충전장치가 상기 온도(T)를 기준으로 상기 초기 충전 전류량을 결정하되,
    상기 제1 구간은 0℃≤ T < 15℃이고, 상기 제2 구간은 15℃≤ T < 25℃이고, 상기 제3 구간은 25℃≤ T < 40℃이고, 상기 제4 구간은 40℃≤ T < 60℃인 적응적 배터리 충전 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충전장치는 상기 정전류 모드에서 배터리의 현재 온도를 계속 모니터링하고, 사전에 설정된 복수의 온도범위 중 상기 현재 온도가 속하는 온도 범위에 따라 상기 정전류 모드에서 사용하는 충전 전류량을 변경하는 적응적 배터리 충전 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 충전장치는 상기 정전압 모드에서 현재 상기 배터리의 가용용량에 따라 충전전류를 제어하되, 상기 가용용량은 상기 배터리의 수명 경과에 따라 줄어드는 값이고, 상기 가용용량이 줄어들면 상기 충전전류도 대응하게 줄여서 충전하는 적응적 배터리 충전 제어 방법.
  9. 배터리 충전장치에 있어서,
    배터리를 충전하는 배터리 충전부;
    상기 배터리의 온도를 감지하는 배터리 모니터링부; 및
    상기 온도를 기준으로 정전류 모드에서 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전류량을 결정하고, 상기 충전 전류량의 전류를 이용하여 목표 충전전압까지 충전을 하도록 상기 배터리 충전부를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 온도에 따라 변화하는 배터리의 용량의 변화량에 대응되게 상기 충전 전류량을 조절하되,
    상기 제어부는 상기 온도가 0℃이상에서 제1 온도값 미만인 제1 구간 내인 경우, 상기 충전 전류량을 제1 충전 전류량으로 결정하고,
    상기 온도가 상기 제1 온도값 이상에서 제2 온도값 미만인 제2 구간 내인 경우, 상기 충전 전류량을 상기 제1 충전 전류량보다 높은 제2 충전 전류량으로 결정하고,
    상기 온도가 상기 제2 온도값 이상에서 제3 온도값 미만인 제3 구간 내인 경우, 상기 충전 전류량을 상기 제2 충전 전류량보다 높은 제3 충전 전류량으로 결정하고,
    상기 온도가 상기 제3 온도값 이상에서 60℃미만인 제4 구간 내인 경우, 상기 충전 전류량을 상기 제2 충전 전류량보다 높고 상기 제3 충전 전류량보다 낮은 제4 충전 전류량으로 결정하되,
    상기 제1 충전 전류량, 상기 제2 충전 전류량, 상기 제3 충전 전류량 및 상기 제4 충전 전류량은 상기 배터리의 최대 C 레이트(C-rate) 미만이고,
    상기 목표 충전전압은 상기 배터리의 최초 가용용량과 현재 가용용량의 차이값을 기준으로, 상기 최초 가용용량에서 설정된 충전전압에서 상기 차이값에 비례하여 줄어드는 값으로 설정되는 적응적 배터리 충전장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 사전에 설정된 복수의 온도범위 중 상기 온도가 속하는 온도 범위에 따라 상기 충전 전류량을 결정하는 적응적 배터리 충전장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도(T)를 기준으로 상기 충전 전류량을 결정하되,
    상기 제1 구간은 0℃≤ T < 15℃이고, 상기 제2 구간은 15℃≤ T < 25℃이고, 상기 제3 구간은 25℃≤ T < 40℃이고, 상기 제4 구간은 40℃≤ T < 60℃인 적응적 배터리 충전장치.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 가용용량에 따라 충전전류의 값을 결정하고, 상기 배터리 충전부가 정전압 모드에서 상기 값의 충전전류로 상기 배터리를 충전하도록 제어하되, 상기 가용용량은 상기 배터리의 수명 경과에 따라 줄어드는 값이고, 상기 가용용량이 줄어들면 상기 충전전류도 대응하게 줄이는 적응적 배터리 충전장치.

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