KR102118218B1 - 배터리/셀을 적응적으로 충전하는 방법 및 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명들은, 일 양태에서 충전 동작 동안 배터리의 단자들에 충전 펄스를 인가하고, 제 1 충전 펄스에 응답하는 배터리의 복수의 전압들을 측정하고, 배터리의 충전 펄스 전압 (CPV) 를 결정하고, 배터리의 CPV 가 미리결정된 범위 내에 있는지 또는 미리결정된 상한 값보다 큰지 여부를 결정하며, CPV 가 미리결정된 범위 밖에 있거나 미리결정된 상한 값보다 큰 경우 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키기 위한 기법들 및/또는 회로에 관한 것이고, 충전 펄스 전압은 제 1 충전 펄스에 응답하는 피크 전압이다.

Description

배터리/셀을 적응적으로 충전하는 방법 및 회로{METHOD AND CIRCUITRY TO ADAPTIVELY CHARGE A BATTERY/CELL}
본 발명들은 배터리/셀을 적응적으로 충전하는 방법들 및 회로에 관한 것이다. 특히, 일 양태에서, 본 발명들은 충전 펄스 전압 (charge pulse voltage; CPV) 또는 CPV 에서의 변화를 나타내는 데이터를 이용하여 배터리/셀을 적응적으로 충전하는 기법들 및/또는 회로에 관한 것이다.
CPV 는 (i) 충전 펄스에 응답하는, 배터리/셀의 단자들에서 측정된 피크 전압 및/또는 (ii) 충전 펄스에 응답하는, 배터리/셀의 단자들에서 측정된 실질적 피크 전압 (즉, 피크 전압의 5-10% 내) 으로서 특징지어질 수도 있다.
일 실시형태에서, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 (예를 들어, 충전 및/또는 방전 신호의 형태 (있다면), 그 진폭, 그 지속기간, 그 듀티 사이클 및/또는 휴지 주기 (있다면) 을 포함한) 그 특성들을 포함한, 배터리/셀의 단자들에 인가되는 충전 전류 신호(들) 을 변화시키고, 조정하고, 제어하고/하거나 변경하기 위해서, (이하 설명하는) 소정의 제약들 또는 요건과 관련되는 이러한 데이터를 이용하고/하거나 채용한다.
특히, 소정의 실시형태들에서, 적응적 충전 회로 및 기법들을 구현하는 것과 관련한 2 개의 고려사항들은 (i) 배터리/셀의 총 충전 시간을 최소화하고/하거나 감소시키는 것, 및 (ii) 배터리/셀의 사이클 수명을 최대화하고/하거나 증가시키는 것을 포함한다. 여기서, 본 발명의 소정 양태들에 따른 적응적 충전 회로는 (i) 배터리/셀의 총 충전 시간을 최소화하고/하거나 감소시키고 (ii) (예를 들어, 충전 동작의 열화 메커니즘들을 최소화 및/또는 감소시킴으로써) 배터리/셀의 사이클 수명을 최대화 및/또는 증가시키기 위한 적응적 기법들을 구현한다.
다음의 상세한 설명 동안에, 첨부 도면들을 참조한다. 이들 도면들은 본 발명들의 상이한 양태들을 나타내며, 적합한 경우, 상이한 도면들에서 유사한 구조들, 컴포넌트들, 재료들 및/또는 엘리먼트들을 도시하는 도면부호들은 유사하게 라벨링된다. 구체적으로 나타낸 것들 이외의, 구조들, 컴포넌트들, 및/또는 엘리먼트들의 여러 조합들이 고려되며, 본 발명들의 범위 내에 있는 것으로 이해된다.
더욱이, 본원에서는 많은 발명들이 설명되고 도시된다. 본 발명들은 임의의 단일 양태 또는 그 실시형태에 한정되지 않으며, 이러한 양태들 및/또는 실시형태들의 임의의 조합들 및/또는 치환들에도 한정되지 않는다. 더욱이, 본 발명들, 및/또는 그 실시형태들의 양태들 각각은 단독으로 채용되거나, 또는 본 발명들 및/또는 그 실시형태의 다른 양태들 중 하나 이상과 조합하여 채용될 수도 있다. 간결함을 위해, 소정 치환들 및 조합들은 본원에서 별개로 설명되거나 및/또는 도시되지 않는다.
도 1a 내지 도 1c 는 본 발명들의 소정 실시형태들의 적어도 소정 양태들에 따른, 예시적인 적응적 충전 회로의 블록도 표현들을 배터리/셀과 함께, 도시하며, 여기서, 도 1b 는 제어 회로에 커플링되는 별개의 메모리를 포함하며, 도 1c 는 충전 또는 재충전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 이러한 전하 또는 전류에 응답하는 배터리/셀의 단자들에서의 전압 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 값보다 작도록, 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응, 조정 및/또는 제어하는 것과 관련되는 제어 회로에 의해 채용되는 하나 이상의 미리결정된 범위들을 저장하기 위해 메모리에 액세스하는 외부 회로를 도시한다;
도 1d 및 도 1e 는 본 발명들의 소정 실시형태들의 적어도 소정 양태들에 따른, 예시적인 적응적 충전 회로를 2 개의 단자들 (예를 들어, 양 및 음의 단자들) 을 포함할 수도 있는 배터리/셀과 함께 블록도 형태로 도시하며, 이 실시형태에서, 충전 회로는 전압 소스 및/또는 전류 소스를 포함할 수도 있으며, 모니터링 회로는 전압 및/또는 전류 센서들 (예를 들어, 전압계 및/또는 전류계) 을 포함할 수도 있다;
도 2a 내지 도 2d 는 예시적인 충전 기법의 복수의 예시적인 충전 신호들 및 방전 신호들을 도시하는 예시적인 파형들을 도시하며, 배터리/셀의 단자 전압이 충전 또는 재충전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 증가함에 따라서, 이러한 충전 신호들은 일반적으로 미리결정된 레이트 및/또는 패턴에 따라서 (예를 들어, 점근적으로, 선형적으로 또는 2 차식으로) 감소할 수도 있으며 (도 2b 및 도 2d 참조); 특히, 충전 또는 재충전 시퀀스, 동작 또는 사이클은 (전체적으로, 전하를 배터리/셀로 주입 또는 인가하는) 충전 신호들 및 (전체적으로, 전하를 배터리/셀로부터 제거하는) 방전 신호들을 포함할 수도 있다;
도 3a 내지 도 3n 은 (도 2a 내지 도 2d 에 예시적으로 도시된) 충전 및 방전 신호들의 예시적인 충전 및/또는 방전 패킷들을 도시하며, 이러한 충전 및 방전 패킷들은 하나 이상의 충전 펄스들 및 하나 이상의 방전 펄스들을 포함할 수도 있으며; 특히, 일 실시형태에서, 도 2a 내지 도 2d 의 각각의 충전 신호는 복수의 패킷들 (예를 들어, 약 100 내지 약 50,000 개의 패킷들) 을 포함할 수도 있으며, 일 실시형태에서, 각각의 패킷은 복수의 충전 펄스들, 방전 펄스들 및 휴지 주기들을 포함할 수도 있으며; 특히, 펄스들은 임의의 형태 (예를 들어, 직사각형, 삼각형, 사인곡선 또는 사각형) 일 수도 있으며; 예시적인 일 실시형태에서, 패킷의 충전 및/또는 방전 펄스들은 약 1ms 내지 약 500ms, 바람직하게는 50ms 미만의 시간 지속기간을 포함할 수도 있으며; 더욱이, 아래에서 상세히 설명하는 바와 같이, 충전 및 방전 펄스들의 특성들 (예를 들어, 펄스 진폭, 펄스 폭/지속기간 및 펄스 형상) 중 하나, 일부 또는 모두는 충전 회로를 통해 프로그래밍가능 및/또는 제어가능할 수 있으며, 양의 및/또는 음의 펄스들의 진폭은 그 패킷 내에서 변할 수도 있으며 (그리고, 프로그래밍가능 및/또는 제거가능할 수도 있으며), 휴지 주기들의 지속기간 및/또는 타이밍은 그 패킷 내에서 변할 수도 있으며 (그리고, 프로그래밍가능 및/또는 제어가능할 수도 있으며) 및/또는, 또한, 이러한 펄스들은 그 패킷 내에서 동일하게 또는 동일하지 않게 이격될 수도 있으며; 충전 펄스들, 방전 펄스들 및 휴지 주기들의 조합은 반복됨으로써 반복될 수도 있는 패킷을 형성할 수도 있으며; 펄스, 펄스 특성들, 주기들, 패킷들 및 신호 특성들 및 구성들의 모든 조합 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다;
도 4a 및 도 4b 는 충전 사이클의 복수의 충전 펄스들에 대한 배터리/셀의 응답을 도시하고, 여기서 (배터리/셀에 인가된 충전 펄스들에 응답하는) 배터리/셀의 하나 이상의 CPV 들은 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 조정, 적응, 변화 및/또는 제어하는지 여부를 결정하도록 분석될 수도 있다;
도 4c 및 도 4d 는 충전 사이클의 복수의 순차적 또는 비-순차적 충전 펄스들에 대한 배터리/셀의 응답을 도시하고, 배터리/셀의 CPV 들에서의 변화 (여기서 각각의 CPV 는 배터리/셀에 인가된 충전 펄스와 연관됨) 는 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 조정, 적응, 변화 및/또는 제어하는지 여부를 결정하도록 분석될 수도 있다;
도 5a, 도 5c 및 도 5e 는 본 발명들의 소정 양태들에 따른 (일 실시형태에서, 충전 및/또는 방전 패킷에 포함될 수도 있고, 여기서 이러한 패킷들은 하나 이상의 충전 펄스들을 포함할 수도 있는 (또한 하나 이상의 방전 펄스들을 포함할 수도 있음)) 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 CPV 에 기초하여 또는 이를 이용하여 충전 전류의 특성들을 결정, 적응 및/또는 제어하는 예시적인 프로세스들의 플로우차트들이고; 여기서 충전 기법들 및/또는 회로는, 후속의 충전 패킷들에 응답하는 배터리/셀의 CPV 가 (i) 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 (도 5a) (ii) 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 미리결정된 하한 값 보다 크고/크거나 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 (도 5c) (iii) 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 미리결정된 상한 값 미만이고 미리결정된 하한 값보다 크도록 (도 5e) 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응, 조정 및/또는 제어한다;
도 5b, 도 5d 및 도 5f 는 본 발명들의 소정 양태들에 따른 (일 실시형태에서, 복수의 충전 및/또는 방전 패킷들에 포함될 수도 있고, 여기서 이러한 패킷들은 하나 이상의 충전 펄스들을 포함할 수도 있고 (또한, 하나 이상의 방전 펄스들을 포함할 수도 있는)) 복수의 충전 펄스들에 응답하는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화에 기초하여 또는 이를 이용하여 충전 전류의 특성들을 결정, 적응 및/또는 제어하는 예시적인 프로세스들의 플로우차트들이고; 여기서 충전 기법들 및/또는 회로는, 후속의 충전 패킷들에 응답하는 배터리/셀의 2 이상의 CPV 들 간의 이러한 변화가 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 (i) 미리결정된 상한 값 미만이고 미리결정된 범위 내에 있고 (도 5b) (ii) 미리결정된 하한 값 보다 크고 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 (도 5d) (iii) 미리결정된 상한 값 미만이고 미리결정된 하한 값보다 크도록 (도 5f) 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응, 조정 및/또는 제어하고; 특히, 충전 펄스들은 순차적 또는 비-순차적 충전 또는 방전 패킷들에 포함되고/되거나 순차적 또는 비-순차적 충전 사이클의 펄스들일 수도 있다;
도 6a 는 배터리/셀의 예시적인 단자 전압 응답을 제공하는 충전 펄스를 갖는 예시적인 충전 패킷을 도시하고, 여기서 (연관된 충전 펄스에 응답하는) 배터리/셀의 CPV 는 미리결정된 상한 값 (VUL) 보다 크고, (충전 펄스로 인한 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화의 피크 및/또는 충전 펄스의 엔드에 상관할 수도 있는) 배터리/셀의 CPV 는 미리결정된 상한 전압 (VUL) 보다 크고; 특히, 일 실시형태에서, 제어 회로로부터의 명령들에 응답하는 충전 회로는, 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 배터리/셀의 CPV 가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이도록 충전 펄스의 진폭 (및/또는 연관된 휴지 주기의 길이) 을 조정하여 응답적 단자 전압을 감소시킨다;
도 6b 는 배터리/셀의 예시적인 단자 전압 응답을 제공하는 충전 펄스를 갖는 예시적인 충전 패킷을 도시하고, 여기서 (연관된 충전 펄스에 응답하는) 배터리/셀의 CPV 는 미리결정된 하한 전압 (VLL) 미만이고, (충전 펄스로 인한 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화의 피크 및/또는 충전 펄스의 엔드에 상관할 수도 있는) 배터리/셀의 CPV 는 미리결정된 하한 전압 (VLL) 미만이고; 특히, 일 실시형태에서, 제어 회로로부터의 명령들에 응답하는 충전 회로는, 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 배터리/셀의 CPV 가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 충전 펄스의 진폭 (및/또는 연관된 휴지 주기의 길이) 을 조정하여 응답적 단자 전압을 증가시킨다;
도 7a 는 충전 주기 (Tcharge) 다음에 휴지 주기 (Trest) 를 포함하는 충전 펄스를 갖는 예시적인 충전 패킷을 도시하고, 여기서 본 발명들에 양태들에 따른 충전 패킷의 주기는 Tpacket 로서 식별되고; 이러한 충전 패킷에 대한 배터리/셀의 예시적인 전압 응답이 도시되고, 여기서 CPV 가 식별된다 (이 실시형태에서 배터리/셀의 피크 또는 실질적 피크 단자 전압에 상관한다); 특히, 후술되는 바와 같이, 충전 펄스들의 하나, 일부 또는 모든 특성들 (예를 들어, 펄스 진폭, 펄스 폭/지속기간 및 펄스 형상) 은 충전 회로를 통해 프로그래밍가능 및/또는 제어 가능하고, 여기서 양의 펄스의 진폭은 패킷들 사이에서 변할 수도 있고 (그리고 프로그래밍가능 및/또는 제어가능할 수도 있고), 휴지 주기들의 지속기간 및/또는 타이밍은 패킷 내에서 변할 수도 있고 (그리고 프로그래밍가능 및/또는 제어가능할 수도 있고) 및/또는 추가하여 이러한 펄스들은 패킷들 사이에서 동일하게 또는 비동일하게 이격될 수도 있고; 충전 펄스들 및 휴지 주기들의 조합은 반복될 수도 있고 이에 의해 반복될 수도 있는 패킷을 형성할 수도 있고; 펄스, 펄스 특성들, 주기들, 패킷들 및 신호 특성들 및 구성들의 모든 조합 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다;
도 7b 는 충전 펄스 (배터리/셀에 전하를 주입함) 및 방전 펄스 (배터리/셀로부터 전하를 제거함) 를 갖는 예시적인 충전 패킷을 도시하고, 여기서 본 발명들의 소정 양태들에 따른, 충전 펄스는 충전 주기 (Tcharge) 를 포함하고 방전 펄스는 방전 주기 (Tdischarge) 를 포함하고; 특히, 이 예시적인 충전 패킷에서, 충전 펄스와 방전 펄스 간에는 중간 휴지 주기 (Tinter) 가 배치되고, 방전 펄스 후 및 다음 패킷 전에 휴지 주기 (Trest) 가 배치되고; 이러한 충전 패킷에 대한 배터리/셀의 예시적인 단자 전압 응답이 도시되고, 여기서 (이 실시형태에서, 배터리/셀의 피크 또는 실질적 피크 단자 전압에 상관하는) CPV 가 식별되고; 특히, 후술되는 바와 같이, 충전 펄스들의 하나, 일부 또는 모든 특성들 (예를 들어, 펄스 진폭, 펄스 폭/지속기간 및 펄스 형상) 은 충전 회로를 통해 프로그래밍가능 및/또는 제어 가능하고, 여기서 양 및/또는 음의 펄스들의 진폭은 패킷 내에서 변할 수도 있고 (그리고 프로그래밍가능 및/또는 제어가능할 수도 있고), 휴지 주기들의 지속기간 및/또는 타이밍은 패킷 내에서 변할 수도 있고 (그리고 프로그래밍가능 및/또는 제어가능할 수도 있고) 및/또는 추가하여 이러한 펄스들은 패킷 내에서 동일하게 또는 비동일하게 이격될 수도 있고; 충전 펄스들, 방전 펄스들 및 휴지 주기들의 조합은 반복될 수도 있고 이에 의해 반복될 수도 있는 패킷을 형성할 수도 있고; 펄스, 펄스 특성들, 주기들, 패킷들 및 신호 특성들 및 구성들의 모든 조합 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도되고; 더욱이, 충전 패킷들은 충전 패킷들과 유사한 특성들을 가질 수도 있는데, 네트 (net) 전하는 배터리/셀로부터 제거되고; 간결함을 위해, 충전 패킷에 대한 논의/예시는 반복되지 않을 것이다;
도 8a 내지 도 8e 는 하나 이상의 적응 루프들을 갖는 적응적 충전 기법들을 플로우차트 유사 형태로 도시하고, 여기서 각각의 적응 루프는 하나 이상의 상이한 파라미터들 (예를 들어, CPV 및/또는 CPV 에서의 변화) 를 추정, 계산, 측정 및/또는 결정하고; 특히, 적응 루프들은 단독으로/별개로 또는 조합하여 구현될 수도 있고; 그 모든 조합들 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도되고; 제 2 내지 제 N 루프의 더 상세한 논의는 참조로서 본원에 포함되는 특허출원 제 13/366,352 호, "Method and Circuitry to Calculate the State of Charge of a Battery/Cell" 에 설명된다;
도 9a 내지 도 9d 는 예를 들어, (i)(하나 이상의 충전/방전 패킷들의) 하나 이상의 펄스들에 응답하여 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화에 기초한 제 1 적응 루프, (ii) 배터리/셀의 SOC 및/또는 완전 (full) 완화 시간 또는 과전위에 기초한 제 2 적응 루프, (iii) 배터리/셀의 SOH (또는 그 안에서의 변화들) 에 기초한 제 3 적응 루프, 및 (iv) 배터리/셀의 온도에 기초한 제 4 적응 루프 (특히, 이 실시형태에서 시스템은 배터리/셀의 온도를 나타내는 데이터를 제공하기 위한 온도 센서를 포함함) 를 포함하는 적응 루프들의 예시적인 파라미터들을 도시하고; 제 2 내지 도 4 적응 루프의 더 상세한 논의는 상기에서 나타낸 바와 같이 참조로서 포함되는 출원 번호 제 13/366,352 호에 설명된다;
도 10a 내지 도 10d 는 상이한 형상들 및 펄스 폭들을 갖는 예시적인 충전 펄스들을 도시하고; 충전 펄스 특성들의 모든 조합들 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다; 그리고
도 11a 내지 도 11d 는 상이한 형상들 및 펄스 폭들을 갖는 예시적인 방전 펄스들을 도시하고; 방전 펄스들 특성들의 모든 조합들 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다;
또한, 본원에서 많은 발명들이 설명 및 도시된다. 본 발명들은 임의의 단일 양태 또는 그의 실시형태에 한정되지 않으며, 이러한 양태들 및/또는 실시형태들의 임의의 조합들 및/또는 치환들에도 한정되지 않는다. 본 발명들, 및/또는 그 실시형태들의 양태들 각각은 단독으로 채용되거나 또는 본 발명들 및/또는 그 실시형태의 다른 양태들 중 하나 이상과 조합하여 채용될 수도 있다. 간결성을 위해, 본원에서는 이들 조합들 및 치환들의 많은 것들이 따로 설명되지 않는다.
제 1 양태에서, 본 발명들은 배터리/셀에 대한 적응적 충전 기법들 및/또는 회로에 관한 것이고, 여기서 충전 기법들 및/또는 회로는 충전 펄스에 응답하는 배터리의 CPV, 및/또는 2 이상의 충전 펄스들과 연관된 CPV 들에서의 변화가 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 (i) 미리결정된 상한 값 미만이고, (ii) 미리결정된 하한 값보다 크고/크거나 (iii) 미리결정된 범위 내 (예를 들어, 미리결정된 상한 값 미만 및 미리결정된 하한 값보다 큼) 에 있도록, 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응, 조정 및/또는 제어한다. 전술된 바와 같이, 배터리/셀의 CPV (charge pulse voltage) 는 (i) 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 단자들에서 특정된 피크 전압 및/또는 (ii) 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 단자들에서 측정된 실질적인 피크 전압 (즉, 피크 전압의 5-10% 내) 으로서 특징지어질 수도 있다. 예를 들어, 충전 기법들 및/또는 회로가 하나 이상의 충전 펄스들을 갖는 충전 패킷들을 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작 동안 배터리/셀에 적용하는 경우, 일 실시형태에서, 충전 기법들 및/또는 회로는 후속의 충전 패킷(들)에 응답하는 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 들에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고, 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값 미만이도록 후속의 패킷(들)(예를 들어, 직후의 패킷들) 에 의한 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 충전 펄스들의 진폭 및/또는 펄스 폭을 적응, 조정 및/또는 제어할 수도 있다. 일 실시형태에서, 충전 기법들 및/또는 회로는 후속 패킷(들)의 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어하는 것을 통해 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어한다.
다른 실시형태에서, 충전 기법들 및/또는 회로는 하나 이상의 충전 펄스들 및 하나 이상의 방전 펄스들을 갖는 충전 패킷들을 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작 동안 배터리/셀에 인가한다. 이 실시형태에서, 충전 기법들 및/또는 회로는, 후속의 충전 패킷에 응답하는 배터리의 CPV, 및/또는 2 이상의 후속의 충전 패킷과 연관된 CPV 들에서의 변화가 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 (i) 미리결정된 상한 값 미만이고, (ii) 미리결정된 하한 값보다 크고/크거나 (iii) 미리결정된 범위 내에 있도록, (충전 펄스들을 통해) 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들 및/또는 (방전 펄스들을 통해) 배터리/셀로부터 제거된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 이 방식으로, 후속의 패킷들에 응답하는 배터리/셀의 CPV 는 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작 동안 전술된 기준 중 하나 이상을 만족한다. 예를 들어, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는, (i) 배터리/셀의 CPV, (ii) 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작 동안 미리결정된 범위 내에 있도록 하는 방식으로 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭 및 방전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 이에 추가하여, 또는 그 대신에, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 미리결정된 상한 값 미만이고, 미리결정된 하한 값보다 크고/크거나 미리결정된 범위 내에 있도록 (i) 후속의 패킷(들)의 충전 펄스(들)로 인한 배터리/셀의 CPV 및/또는 (ii) 패킷의 복수의 충전 펄스(들)간의 배터리/셀의 CPV 에서의 변화를 제공하는 방식으로 충전 펄스(들) 및 방전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 따라서, 충전 패킷이 하나 이상의 충전 및 방전 펄스들을 포함하는 이들 실시형태들에서, 본 발명들의 충전 기법들 및/또는 회로는 후속의 패킷들에 응답하는 배터리/셀의 CPV 를 제어하도록 충전 및/또는 방전의 하나 이상의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다.
특히, 충전 기법들 및/또는 회로는 (i) 패킷에서의 복수의 펄스들 및/또는 (ii) 복수의 패킷들과 관련되는 배터리/셀의 평균 응답에 기초하여 또는 이를 이용하여 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 예를 들어, 패킷들이 복수의 충전 펄스들 및/또는 복수의 방전 펄스들을 포함하는 경우, 충전 기법들 및/또는 회로는 복수의 충전 펄스들과 관련되는 CPV 에서의 평균 변화를 채용할 수도 있다. 이 실시형태에서, 본 발명들의 충전 기법들 및/또는 회로는 복수의 충전 펄스들 및/또는 복수의 방전 펄스들에 대한 배터리/셀의 평균 CPV 응답에 기초하여 또는 이를 이용하여 후속의 패킷들 동안 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 충전 및 방전 펄스들의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 따라서, 일 실시형태에서, 본 발명들의 충전 기법들 및/또는 회로는 복수의 선행 패킷 (예를 들어, 직전의) 에 걸쳐 평균된 배터리/셀의 CPV 에서의 변화 및 CPV 에 기초하여 또는 이를 이용하여 배터리/셀에 인가된 (후속 패킷들의) 충전 및/또는 방전 펄스들 중 하나 이상의 특성들을 충전 또는 방전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 미리결정된 상한 값 미만이고, 미리결정된 하한 값보다 크고/크거나 미리결정된 범위 내에 있도록 적응시키고, 조정하고/하거나 제어한다.
다른 실시형태에서, 본 발명들의 충전 기법들 및/또는 회로는, 배터리/셀의 CPV 및/또는 복수의 충전 패킷에 걸쳐 평균된 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 전술된 기준을 충족하도록 패킷들에 의해 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 양을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 여기서, 충전 기법들 및/또는 회로는, 복수의 충전 패킷에 응답하는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화 및/또는 평균 CPV 가 미리결정된 범위 밖에 있고, 미리결정된 하한 미만이고/이거나 미리결정된 상한보다 큰 경우, (예를 들어, 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어하는 것을 통해) 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다.
본 발명들의 충전 기법들 및/또는 회로는 임의의 유형의 평균화를 채용할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명들의 충전 기법들 및/또는 회로는 패킷들의 상호 배타적인 그룹들을 평균할 수도 있다. 대안으로, 충전 기법들 및/또는 회로는 "롤링 (rolling)" 평균 기법을 채용할 수도 있으며, 이 기법들 및/또는 회로는 "새로운" 평균 CPV 를 충전 패킷에 응답하는, 배터리/셀의 단자들에서의 전압 변화로서 결정하거나 계산한다.
본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화를 미리결정된 범위 내에서 유지하는 것과 관련하는, 배터리/셀에 인가 또는 주입된 전하 또는 전류의 특성들을 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 배터리/셀의 CPV 를 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 측정 또는 모니터링한다 (예를 들어, 배터리/셀의 단자들에서의 배터리/셀의 전압을 N 번째 패킷 마다 및/또는 10 - 1000 ms 마다 측정 또는 모니터링한다 (여기서, N=1 내지 10)). 이러한 데이터에 기초하거나 또는 이용하여, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고, 미리결정된 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한보다 큰 이들 실시형태들에서 배터리/셀에 주입되는 전하 또는 전류의 특성들을 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 결정하고/하거나 적응시킬 수도 있다 (또는, 방전 전류가 채용되는 이들 실시형태들에서 배터리/셀로부터 제거되는 전하의 특성들을 적응시킬 수도 있다) (예를 들어, 배터리/셀에 주입되는 전하 또는 전류의 특성들을 N 번째 패킷 마다 및/또는 10 - 1000 ms 마다 결정하고/하거나 적응시킬 수도 있다 (여기서, N=1 내지 10)). 일 실시형태에서, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 배터리/셀의 CPV 를 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 결정할 수도 있으며, 이에 응답하여 또는 이에 기초하여, (일 실시형태에서, 바로 후속하는 패킷(들)의 충전 펄스들일 수도 있는) 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 후속 충전 펄스들의 진폭 및 지속기간을, 이러한 후속 충전 펄스들에 기인하는 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 기준을 충족하도록 배터리/셀의 CPV 를 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 결정할 수도 있다.
따라서, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 (i) 배터리/셀의 단자 전압을 간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로 측정 또는 모니터링하고, (ii) (충전 및 방전 펄스들에 응답하는) CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고, 미리결정된 값 미만이고/이거나 미리결정된 값 초과인지 여부를 간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로 결정하고/하거나 (iii) 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류 신호들의 특성들 (예를 들어, 인가된 전하 또는 전류의 진폭) 을, CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고, 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 (i) 배터리/셀의 CPV 를 X 개의 패킷들 마다 배터리/셀의 단자들에서 모니터링하고, 측정하고/하거나 결정하고 (여기서, X=1 내지 10), (ii) (충전 펄스들에 응답하는) CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 값 미만인지 여부를 Y 개의 패킷들 마다 결정하고/하거나 (여기서, Y=1 내지 10), (iii) 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류 신호들의 특성들을, CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 기준을 충족하도록 Z 개의 패킷들 마다 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다 (여기서, Z=1 내지 10). 모든 치환들 및 조합들은 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 실제로, 이러한 실시형태들은 (i) 하나 이상의 충전 펄스들을 갖는 충전 패킷들 및 (ii) 하나 이상의 충전 펄스들 및 하나 이상의 방전 펄스들을 갖는 충전 패킷들을 인가하거나 또는 주입하는 충전 기법들 및/또는 회로에 적용가능하다.
특히, 미리결정된 범위는 예를 들어, 시간, 이용 및/또는 동작 조건들 (예를 들어, 외부 온도) 에 걸쳐서 고정될 수도 있거나 또는 변할 수도 있다. 미리결정된 범위는 배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 상태들 (예를 들어, 충전 상태) 에 기초하여 변할 수도 있다. 이에 더하여, 또는 이 대신에, 미리결정된 범위는 충전 프로세스까지의 또는 동안의 배터리/셀의 하나 이상의 응답들에 기초하여 변할 수도 있다.
일 실시형태에서, 미리결정된 범위는 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초한다. 예를 들어, 경험적 데이터에 기초하여, 주어진 배터리/셀 (예를 들어, 소정 시리즈, 제조 로트, 케미스트리 및/또는 설계) 와 연관되는 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 미리결정된 범위 뿐만 아니라, 그 안에서의 변화들을 결정하고, 계산하고/하거나 채용할 수도 있다. 또한, 이러한 변화들은 (i) 고정되고, (ii) 배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 상태들에 기초하고/하거나 (iii) 충전 프로세스까지의 또는 동안의 배터리/셀의 하나 이상의 응답들에 기초할 수도 있다.
다른 실시형태에서, 미리결정된 범위는 예를 들어, 배터리/셀의 조건 또는 상태 및/또는 충전 프로세스들까지의 배터리/셀의 응답에 기초하여 변할 수도 있다. 예를 들어, 미리결정된 범위는 예를 들어, 배터리의 충전 상태 (SOC) 및/또는 잔존수명 상태 (state of health; SOH) 를 포함하는 배터리/셀의 하나 이상의 파라미터들에 의존할 수도 있다. 여기서, 본 발명들의 회로 및/또는 기법들은 배터리/셀의 SOC 및/또는 배터리/셀의 SOH 를 나타내는 데이터에 기초하거나 또는 이를 이용하여, (충전 펄스들에 응답하는) 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 값 미만인지 여부를 결정하도록 채용된 미리결정된 범위를 조정하고, 변화시키고/시키거나 적응시킬 수도 있다.
특히, 배터리/셀, 예를 들어, 리듐-이온 재충전가능 배터리/셀의 SOC 는 배터리/셀에 이용가능한 전기 충전의 레벨을 나타내고/내거나 표시하는 파라미터이다. 이것은 배터리/셀의 공칭 최대 충전율의 백분율로서 특징지어질 수도 있으며, 여기서, 100% SOC 는 배터리/셀이 완전히 충전된다는 것을 나타내며, 0% 는 배터리/셀이 완전히 방전된 것을 나타낸다. 배터리/셀의 SOC 는 배터리/셀에 저장된 최대 이용 가능한 전하에 대한 배터리/셀에 저장된 이용 가능한 전하로서 특징지어질 수도 있고, 여기서 최대 이용 가능한 전하는 예를 들어 배터리/셀 나이들 또는 열화들 (deteriorates) 로서 시간에 따라 변할 수도 있다. 본원에 나타낸 바와 같이, 동작 조건들에서의 변화들은 배터리/셀에 영향을 줄 수도 있다. 예를 들어, 배터리/셀의 온도에서의 변화들은 배터리/셀이 저장할 수 있는 전하의 최대량 및/또는 배터리/셀로부터의 최대 이용 가능한 전하 (이하, 총괄하여 Qmax) 에 영향을 줄 수도 있다. 예를 들어, Qmax 는 낮은 온도에서 감소하는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 후술되는 바와 같이, 이러한 동작 조건들 및 온도에서의 변화들은 배터리/셀의 CPV 또는 CPV 에서의 변화들과 연관된 미리결정된 값들 및/또는 범위들 중 하나 이상에 영향을 줄 수도 있다.
재충전가능한 배터리/셀 (예를 들어, 재충전가능한 리듐-이온 배터리/셀) 의 SOH 는, 예를 들어, 주어진 동작 시간 (예를 들어, 초기 동작 시간) 에 대한, 배터리/셀의 "나이", 배터리/셀의 열화 레벨들 및/또는 전하를 유지하는 배터리/셀의 능력을 기술하거나, 특징짓고/짓거나 나타내는 파라미터이다. 주어진 전하 펄스에 응답하고 주어진 SOC 에 대해 응답하는 배터리 셀의 CPV 는 SOH 가 변함에 따라 변하고, 따라서, 배터리/셀이 노화됨에 따라, 그리고 배터리/셀 SOH 가 열화됨에 따라, 배터리/셀의 전압 곡선들이 시프트하는 경향이 있다.
일 실시형태에서, 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터에 기초하여, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 특정의 배터리/셀에 대해 초기의 미리결정된 범위들 또는 미리결정된 범위들의 세트를 계산할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, (i) 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터 및 (ii) 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초하거나 또는 이들을 이용하여, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 특정의 또는 연관된 배터리/셀에 대해 하나 이상의 미리결정된 범위들을 계산 또는 결정할 수도 있다. 실제로, 일 실시형태에서, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는, (i) 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터 및 (ii) 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초하거나 또는 이들을 이용하여, 시간/이용에 따른 미리결정된 범위의 변화의 패턴 또는 관계 (예를 들어, (i) 배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 상태들에 기초하는 변화, (ii) 충전 프로세스들까지의 또는 동안의 배터리/셀의 하나 이상의 응답들에 기초하는 변화) 를 계산 또는 결정할 수도 있다.
또한, 미리결정된 범위 또는 미리결정된 범위들의 세트의 결정 또는 계산은 배터리/셀의 시리즈, 제조 로트, 케미스트리 및/또는 설계를 나타내는 데이터를 채용할 수도 있다. 일 실시형태에서, 배터리/셀의 시리즈, 제조 로트, 케미스트리 및/또는 설계를 나타내는 데이터와 함께, 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초하여, 하나 이상의 미리결정된 범위들 시간/사용이 결정 또는 계산될 수도 있다. 또한, (배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 상태들 및/또는 충전 프로세스들까지의 또는 동안의 배터리/셀의 응답들에 기초할 수도 있는) 이러한 미리결정된 범위들에 대한 하나 이상의 변화들이 결정 또는 계산될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 미리결정된 범위 또는 미리결정된 범위들의 세트는 (i) 초기화, 특성화 및/또는 보정 신호들 또는 시퀀스에 대한 배터리/셀 응답, 및 (ii) 예를 들어, 소정 시리즈, 제조 로트, 케미스트리 및/또는 설계에 기초하여 전개될 수도 있는 경험적 데이터에 기초하거나 또는 이들을 이용하여, 주어진 배터리/셀에 대해 결정 또는 계산될 수도 있다. 특히, 미리결정된 범위 또는 미리결정된 범위들의 세트를 나타내는 데이터는 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로에 의한 사용을 위해 배터리/셀에 커플링된 메모리에 저장될 수도 있다.
다른 실시형태에서, 특정 배터리/셀에 대해 초기 미리결정된 상한 값, 미리결정된 하한 값 및/또는 미리결정된 범위 또는 미리결정된 범위들의 세트는 배터리/셀의 초기화, 특성화 (characterization) 또는 보정 데이터에 기초하거나 이를 이용할 수도 있다. 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터는 특성화 시퀀스에 대한 배터리/셀의 응답을 나타낼 수도 있다. 일 실시형태에서, 특성화 시퀀스는 충전 신호들을 배터리/셀에 인가할 수도 있다. 그 후, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는, (실제 배터리/셀 또는 그 표현일 수도 있는) 배터리/셀의 SOC 에 대한 배터리/셀의 CPV 를 결정 및/또는 측정하는 것을 포함하여 - 배터리/셀에 의해 이러한 신호들에 대한 응답을 평가할 수도 있다. 이에 기초하여, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 특정의 배터리/셀에 대해 미리결정된 값들 및 범위들을 계산 또는 결정할 수도 있다. 이러한 초기화, 특성화 또는 보정 데이터는 예를 들어, 주어진 배터리/셀에 관한 "고유" 데이터를 획득하는 특성화 시퀀스를 포함할 수도 있는, 제조, 테스트 또는 보정 시에 획득, 포착, 및/또는 결정될 수도 있다.
간단히 말하면, 초기화, 특성화 또는 보정 시퀀스들은 본원에서 논의된 소정의 미리결정된 한계들 및 범위들에 대한 값들을 설정하려고 할 수도 있다. 일 실시형태에서, 초기화, 특성화 또는 보정 시퀀스들은 새로운 셀들/배터리들에 대해 SOC 의 전체 범위에 걸쳐서 (충전 및/또는 방전 펄스들을 갖는) 충전 및/또는 방전 패킷들에 응답하는 단자 전압에서의 변화를 측정한다. 제 2 실시형태에서, 이들 값들이 사이클 셀들/배터리들에 이용되며, 상관 데이터 또는 테이블들은 이들 단자 전압에서의 변화를 셀들/배터리들의 용량 감퇴와, 그리고 결과적으로는 사이클 수명과 상관시키도록 생성된다. 상이한 값들이 단자 전압 값들 또는 범위들에서의 변화들과 용량 감퇴 간의 보다 완전한 상관 관계들을 생성하도록 상이한 셀들 상에서 이용될 수도 있다. 단자 전압 값들 또는 범위들에서의 변화는 픽 (Fick) 의 법칙 및 배터리/셀 내에서의 전류 수송 법칙을 푸는 것과 같은, 리듐-이온들의 수송에 대한 물리적인 모델들을 이용하여 상관될 수도 있다.
특히, 미리결정된 값들 및/또는 범위들은 본 발명들의 적응적 회로 및/또는 프로세스들에 의해 또는 다른 회로 및 프로세스들 (예를 들어, "오프-디바이스", "오프-칩" 또는 본 발명들의 회로와는 별개인 회로) 에 의해 계산 또는 결정될 수도 있다. 미리결정된 값들 및/또는 범위들은 제조, 테스트 또는 보정 동안 메모리에 (예를 들어, 데이터베이스 또는 룩업 테이블에) 저장될 수도 있으며, 그 동작 동안 본 발명들의 적응적 회로 및/또는 프로세스들에 액세스가능하다.
본원에서 언급한 바와 같이, 미리결정된 값들 및/또는 범위들은 초기 미리결정된 범위들에 대해서 미리결정된 방식으로 (예를 들어, 시간/이용에 걸쳐서 고정된 관계로 - 이것은 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초하거나 또는 이용할 수도 있음) 변할 수도 있다. 이에 더하여, 또는 이 대신에, 이러한 미리결정된 범위들은 예를 들어, 배터리/셀의 SOC, SOH 및/또는 온도를 포함한, 배터리/셀의 하나 이상의 파라미터들의 스테이터스 또는 상태와 같은 고려사항들에 의존할 수도 있다. 특히, 이러한 파라미터들의 하나가 온도인 경우, 시스템은 배터리/셀의 온도를 나타내는 데이터를 제공하는 (배터리/셀에 열적으로 커플링되는) 온도 센서를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 일 실시형태에서, 미리결정된 범위들은 배터리/셀의 SOC 에 의존한다. 이와 관련하여, 적응적 충전 회로 및 기법들은, 배터리/셀의 SOC 가 낮을 때는 더 높은 전류 또는 전하를, 배터리/셀의 SOC 가 높을 때는 더 낮은 전류 또는 전하를 배터리/셀에 인가 또는 주입할 수도 있다. 여기서, 전류가 리듐-이온 셀을 충전할 때, 리튬 이온들이 음극으로부터 전해질을 가로질러 이동하여, 양극의 그레인들로 확산한다. 따라서, 낮은 SOC 에서, 양극으로의 리튬 이온들의 확산율이 높은 SOC 에서의 확산율보다 더 빠를 수 있다. 확산율에서의 차이는 실질적으로 변할 수 있다. 또한, 임피던스 (특히, 배터리/셀이 인가 전류에 대해 보이는 저항을 나타내는 그 실수부) 가 낮을 때는 더 높은 충전 전류를 이용하고, 임피던스가 높을 때는 더 낮은 충전 전류를 이용하는 것이 유리할 수도 있다. 따라서, 일 실시형태에서, 적응적 충전 알고리즘 또는 기법은 충전 전류를 적응시키고, 변화시키고/시키거나 조정함으로써, 이러한 충전 전류에 응답하는 CPV및/또는 CPV 에서의 변화를 제어하거나, 관리하고/하거나 감소시킨다.
특히, 충전 기법들 및/또는 회로가 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을, 후속의 충전에 응답하는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 값 미만이도록 적응시키고, 조정하고/하거나 제어함에 따라, 순수 (net) 유효 충전율에 영향을 줄 수도 있다. 즉, 순수 유효 충전율은 예를 들어, 전류 충전 또는 충전 신호의 진폭, 충전 또는 충전 신호의 형태 (예를 들어, 삼각형, 직사각형, 톱니 및/또는 사각형 파들), 전류 충전 또는 충전 신호의 지속기간 또는 폭, 충전 또는 충전 신호의 주파수 및/또는 충전 또는 충전 신호의 듀티 사이클을 포함하는 충전 또는 충전 신호의 하나 이상의 특성들을 주어진 충전 주기 동안 조정하고/하거나 제어하는 방식에 의해 조정 및/또는 제어될 수도 있다. 그러나, 이 충전 기법들 및/또는 회로는 (주어진 펄스 형상 - 예를 들어, 직사각형, 삼각형, 사인곡선 또는 사각형 전류 펄스들에 대해) 전류 펄스(들)의 피크 진폭 및/또는 지속기간을 계산, 결정하고/하거나 추정하고, 응답적으로 충전을 제어하여 전체 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작의 시간 지속기간을 최소화하고/하거나 감소시킬 수도 있다. 실제로, 이 충전 기법들 및/또는 회로는 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작의 하나 이상의 부분들 동안 최대 미만의 전하를 (배터리/셀의 반응 단자 전압이 미리결정된 범위에 도달함이 없이) 배터리/셀에 인가하거나 또는 주입할 수도 있다. 이러한 상황 하에서, 전체 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작의 시간 지속기간이 증가할 가능성이 있을 수도 있다.
미리결정된 값들 또는 범위들은 영구적인, 반영구적인 또는 일시적인 메모리에 저장될 수도 있다. 이와 관련하여, 메모리는 데이터, 방정식들, 관계들, 데이터베이스 및/또는 룩업 테이블을 (예를 들어, 재프로그래밍될 때까지) 영구적인, 반영구적인 또는 일시적인 임의의 종류 또는 유형의 메모리 (예를 들어, EEPROM, 플래시, DRAM 및/또는 SRAM) 에 저장할 수도 있다. 더욱이, 메모리는 별개이거나 또는 본 발명들의 다른 회로 (예를 들어, 제어 회로) 상에 상주할 (즉, 통합될) 수도 있다. 일 실시형태에서, 메모리는 일회 프로그래밍가능할 수도 있고/있거나 미리결정된 범위(들)의 데이터, 방정식들, 관계들, 데이터베이스 및/또는 룩업 테이블은 (예를 들어, 테스트 동안 또는 제조 시에 프로그래밍되는) 일회 프로그래밍가능 메모리에 저장될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 메모리는 한 번보다 많이 프로그래밍가능할 수 있으며, 이와 같이 미리결정된 범위(들)은 초기 저장 후에 (예를 들어, 테스트 및/또는 제조 후에) 외부 또는 내부 회로를 통해 업데이트, 기록, 재기록 및/또는 수정될 수도 있다.
소정 실시형태들에서, 본 발명들의 적응적 충전 회로 및 기법들을 구현하는 것과 관련한 다음 2가지 고려사항들에 유의해야 한다:
i. 총 충전 시간을 최소화하거나 감소시키는 것: 실질적인 이유들로, 배터리/셀은 주어진 기간 (예를 들어, 최대 허용 기간) 내에 충전된다. 통상적으로, 사양 값은 그 애플리케이션에 의존하여 정의되거나 또는 선택된다;
ii. 사이클 수명을 최대화하고/하거나 증가시키는 것: 배터리/셀의 사이클 수명을 최대화하거나 또는 증가시키기 위해, (i) 낮은 전류에서 배터리/셀을 충전하고/하거나 (ii) 어떤 전하도 배터리/셀에 인가 또는 주입되지 않는 (예를 들어, 충전 신호들 또는 패킷들 사이의) 충전의 주기들 사이에 또는 주기에서 휴지 주기들을 제공하는 경향이 있다.
따라서, 소정 양태들에서, 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화를 이용하는 본 발명들의 충전 회로는 (예를 들어, 충전 동작의 열화 메카니즘들을 최소화하고/하거나 감소시킴으로써) (i) 배터리/셀의 총 충전 시간을 최소화하고/하거나 감소시키고자 하며, (ii) 배터리/셀의 사이클 수명을 최대화하고/하거나 증가시키고자 하는 적응적 기법들을 구현한다.
도 1a 를 참조하면, 예시적인 일 실시형태에서, 배터리/셀에 대한 적응적 충전 회로 (10) 는 본원에 설명된 적응적 충전 기법들 중 하나 이상을 구현하는, 충전 회로 (12), 모니터링 회로 (14) 및 제어 회로 (16) 를 포함한다. 간단히 말하면, 일 실시형태에서, 충전 회로 (12) 는 하나 이상의 전류 또는 충전 신호를 배터리/셀에 응답적으로 인가한다. (예를 들어, 도 2a 및 도 2b 참조). 또한, 충전 회로 (12) 는 (배터리/셀에 전하 또는 전류의 순수 입력을 제공하는) 하나 이상의 충전 신호들 및 (배터리/셀로부터의 전하 또는 전류의 순수 제거를 제공하는) 하나 이상의 방전 신호들을 인가할 수도 있다. (예를 들어, 도 2c 및 도 2d 참조).
본 발명들의 적응적 충전 회로 및 기법들은 배터리/셀을 충전하기 위해 본원에서 설명되든, 현재 알려져 있든 또는 추후에 개발되든, 임의의 충전 회로 (12) 를 채용할 수도 있으며; 모든 이러한 충전 회로 (12) 는 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 예를 들어, 본 발명들의 충전 회로 (12) 는 (본원에서 설명하는 바와 같이) 충전 및 방전 신호들, 패킷들 및 펄스들을 생성할 수도 있다. 특히, 충전 회로 (12) 는 일반적으로 제어 회로 (16) 로부터의 제어 신호들에 응답한다.
도 3a 내지 도 3j 를 참조하여, 아래에서 좀더 자세히 설명하는 바와 같이, 충전 및 방전 신호들은 복수의 충전 패킷들을 포함할 수도 있으며, 각각의 충전 패킷은 하나 이상의 충전 펄스들, 및 소정 실시형태들에서는 하나 이상의 방전 펄스들을 포함한다. 또한, 충전 및 방전 신호들은 하나 이상의 방전 패킷들을 포함할 수도 있으며, 각각의 방전 충전 패킷은 하나 이상의 방전 펄스들을 포함한다. (도 3k 내지 도 3n 참조). 또한, 실제로, 충전 및 방전 신호들은 충전 패킷들 및 하나 이상의 방전 패킷들을 포함할 수도 있으며, 각각의 충전 패킷 및 방전 패킷은 하나 이상의 충전 펄스들 및/또는 하나 이상의 방전 펄스들을 포함한다. (도 3k 및 도 3n 참조).
도 1a 를 계속 참조하면, 모니터링 회로 (14) 는 배터리/셀의 CPV 를 검출, 측정 및/또는 결정하기 위해 예를 들어 배터리/셀의 단자 전압을 포함하는 배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 특성들을 (예를 들어, 간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로) 측정, 모니터링, 감지, 검출 및/또는 샘플링한다. 특히, 본 발명들의 적응적 충전 회로 및 기법들은 이러한 데이터를 획득하기 위해, 본원에서 설명되든, 현재 알려져 있든 또는 추후 개발되든, 임의의 모니터링 회로 (14) 및/또는 측정 또는 모니터링 기법들을 채용할 수도 있으며; 모든 이러한 모니터링 회로 (14) 및 측정 또는 모니터링 기법들은 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 모니터링 회로 (14) 는 배터리/셀의 조건 또는 특성들을 나타내는 데이터를 제어 회로 (16) 에 제공한다. 더욱이, 모니터링 회로 (14) 는 배터리/셀의 온도를 나타내는 데이터를 생성, 측정 및/또는 제공하기 위해 배터리/셀에 열적으로 커플링되는 하나 이상의 온도 센서들 (미도시) 을 포함할 수도 있다.
제어 회로 (16) 는, 모니터링 회로 (14) 로부터의 데이터를 이용하여, 충전 또는 재충전 프로세스와 관련하는 또는 이 동안의 배터리/셀의 하나 이상의 상태 또는 조건을 계산, 결정 및/또는 평가한다. 예를 들어, 제어 회로 (16) 는 (충전 펄스에 응답하는) 복수의 충전 펄스들 (예를 들어, 순차적 펄스들 또는 비순차적 펄스들) 에 응답하는 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화를 계산, 결정 및/또는 추정한다. 특히, 제어 회로 (16) 는 또한, 본원에 참조로서 포함되는, 예를 들어, PCT 출원 제 PCT/US2012/30618 호, "Method and Circuitry to Adaptively Charge a Battery/Cell Using the State of Health Thereof" 에 상세히 설명된 바와 같이 배터리/셀의 SOC, 배터리/셀의 SOH, 배터리/셀의 부분 완화 시간 및/또는 배터리/셀의 과전위 또는 전체 (full) 완화 시간 중 하나, 일부 또는 모두를 계산, 결정 및/또는 추정할 수도 있다.
또한, 제어 회로 (16) 는 본원에 설명된 적응적 충전 기법들 및 알고리즘들의 하나 이상 및 배터리/셀의 CPV 에 기초하거나 이를 이용하여, 충전 시퀀스 또는 프로파일을 계산, 결정 및/또는 구현한다. 이와 관련하여, 제어 회로 (16) 는 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을, (충전 회로 (12) 의 동작을 제어하는 것을 통해), (충전 또는 재충전 시퀀스/동작 동안 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 펄스에 응답하는) 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 적응시키고, 조정하고/하거나 제어한다. 일 실시형태에서, 충전 회로 (12) 가 (하나 이상의 충전 펄스들을 갖는) 충전 패킷들을 배터리/셀에 인가하는 경우, (예를 들어, 본원에 설명된 독창적인 적응적 충전 기법들 중 하나 이상을 구현하는) 제어 회로 (16) 는 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 충전 패킷들의 특성들을 (충전 회로 (12) 를 제어하는 것을 통해서) 적응시키고, 조정하고/하거나 제어하여, 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화를 모니터링한다. 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있지 않고/않거나 미리결정된 상한 값보다 크고/크거나 미리결정된 하한 값보다 작은 경우, 제어 회로는 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 제어하는 것을 통해 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 특성들을 변화시키도록 충전 회로 (12) 에 명령한다. 이 방식으로, 제어 회로 (16) 는 일 실시형태에서 (충전 또는 재충전 시퀀스/동작 동안 배터리/셀에 인가 또는 주입된 전하 또는 전류 펄스(들)에 응답하는) 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록, (충전 회로 (12) 를 제어하는 것을 통해) 배터리/셀에 인가 또는 주입된 전하 또는 전류를 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다.
다른 실시형태에서, 충전 회로 (12) 는 충전 또는 재충전 시퀀스, 동작 또는 사이클 동안 하나 이상의 충전 펄스들 및 하나 이상의 방전 펄스들을 갖는 충전 패킷들을 배터리/셀에 인가한다. 이 실시형태에서, 제어 회로 (16) 는 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 (i) 인가되는 충전 펄스들의 특성들 및/또는 (ii) 방전 펄스의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 여기서 또한, 제어 회로 (16) 는 충전 시퀀스 동안 (i) 충전 펄스(들)에 기인하는 배터리/셀의 CPV 및/또는 (ii) 후속의 충전 펄스(들)에 기인하는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 하는 방식으로 (충전 회로 (12) 의 제어를 통해) 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭 및 방전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다.
특히, 제어 회로 (16) 는 하나 이상의 프로세서들, 하나 이상의 상태 머신들, 하나 이상의 게이트 어레이들, 프로그래밍가능 게이트 어레이들 및/또는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이들, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 실제로, 제어 회로 및 모니터링 회로는 서로 뿐만 아니라, 다른 엘리먼트들과 회로를 공유할 수도 있으며; 이러한 회로는 본원에서 설명하는 회로와는 분리되고 다를 수도 있는, 하나 이상의 다른 동작들을 또한 수행할 수도 있는 복수의 집적 회로들 사이에 분배될 수도 있다. 더욱이, 제어 회로 (16) 는 본원에서 설명하고 도시하는 특정의 방법들, 기법들, 작업들 또는 동작들을 구현하는 하나 이상의 애플리케이션들, 루틴들, 프로그램들 및/또는 데이터 구조들을 수행하거나 실행할 수도 있다. 애플리케이션들, 루틴들 또는 프로그램들의 기능은 결합되거나 또는 분배될 수도 있다. 또한, 애플리케이션들, 루틴들 또는 프로그램들은 제어 회로 (16) 에 의해 현재 알려져 있든, 또는 추후 개발되든, 임의의 프로그래밍 언어, 예를 들어, 컴파일되든 컴파일되지 않든, 어셈블리, FORTRAN, C, C++, 및 BASIC 를 이용하여 구현될 수도 있으며; 이의 모두는 본 발명들이 범위 내에 포함되도록 의도된다.
동작시, 충전 회로 (12) 는 전하 또는 전류를 배터리/셀에 인가한다. (예를 들어, 도 2a 내지 도 2d 의 예시적인 충전 파형들 참조). 모니터링 회로 (14) 는 충전 또는 재충전 시퀀스/동작 동안 배터리/셀에 인가된 또는 주입된 전하 또는 전류 펄스(들)에 응답하여 배터리/셀의 CPV 를 결정하도록 배터리/셀의 전압들을 측정하거나 또는 검출한다. 이와 관련하여, 일 실시형태에서, 모니터링 회로 (14) 는 (예를 들어, 충전 펄스 동안 그리고 직후에) 배터리/셀의 단자 전압을 측정하여, 배터리/셀의 CPV 를 검출 및/또는 결정하는 것을 용이하게 한다. 제어 회로 (16) 는, 모니터링 회로 (14) 에 의해 측정된 단자 전압들을 이용하여, (i) 배터리/셀의 CPV 및/또는 (ii) 배터리/셀의 CPV 에서의 변화를 결정 및/또는 검출한다. 제어 회로 (14) 는 또한, 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 큰지 여부를 결정 및/또는 평가한다. 배터리/셀의 CPV 및/또는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 기준을 충족하는 경우, 일 실시형태에서 후속의 충전 동안 배터리/셀에 동일하거나 유사한 충전 패킷을 인가하도록 충전 회로 (12) 에 명령한다. 그러나, 단자 전압에서의 변화가 미리결정된 범위 밖에 있거나 이를 초과하는 경우 (예를 들어, 미리결정된 하한 미만이거나 미리결정된 상한보다 큼), 제어 회로 (16) 는, 후속의 충전 (예를 들어, 직후의 충전 패킷) 에 응답하는 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 (충전 회로 (12) 를 통해) 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어한다. 여기서, 제어 회로 (16) 는, 후속의 충전을 통해 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류가 상기 기준을 만족하는, 이에 응답하는 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화를 제공하도록 패킷의 하나 이상의 특성들에 대한 변화를 구현, 계산 및/또는 결정한다.
특히, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값은, 예를 들어 특정 배터리/셀 유형 또는 제조사에 기초하여 미리결정된 레이트 또는 패턴에 따라 변할 수도 있다. 실제로, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값은 측정, 결정 및/또는 추정될 수도 있는 배터리/셀의 SOC 및/또는 SOH 에 따라서 변할 수도 있다.
특히, 도 1a 및 도 4a 를 참조하면, 일 실시형태에서, 모니터링 회로 (14) 는 충전 펄스에 대한 단자 전압 응답을 측정, 샘플링 및/또는 결정하고, 제어 회로 (16) 에 대한 연관된 충전 펄스에 응답하는, 배터리/셀의 단자들에서 측정된 피크 전압에 상관하는, CPV1 를 나타내는 데이터를 제공한다. 이러한 데이터에 기초하거나 이를 이용하여, 제어 회로 (16)(일 실시형태에서, 피크 전압 검출기 (예를 들어, 디지털 또는 아날로그 유형 검출기) 를 포함함) 는 연관된 충전 펄스로 인한 CPV1 를 계산, 결정 및/또는 추정한다. 제어 회로 (16) 는, CPV1 가 미리결정된 범위 내에 있는지, 미리결정된 상한 값보다 큰지 및/또는 미리결정된 하한 값 미만인지 여부를 결정한다. (예를 들어, 도 5a 내지 도 5f 참조). 제어 회로 (16) 가 전술된 기준을 만족하는 CPV1 를 계산, 결정 및/또는 추정하는 경우, 제어 회로 (16) 는 직후의 충전 패킷과 관련되는 이전의 충전 패킷의 특성들을 유지할 수도 있다 (그러나 제어 회로 (16) 는 실제로 이러한 특성들을 다른 고려사항들의 결과, 예를 들어 부분 평형에 대한 완화 시간 및/또는 SOC 및/또는 SOH 의 고려사항 측정치들에 따라 실제로 변화시킬 수도 있다).
그러나, 제어 회로 (16) 가 CPV1 가 전술된 기준 (즉, 미리결정된 범위 내에 있고, 미리결정된 상한 값보다 크고/크거나 미리결정된 하한 값 미만) 중 하나 이상을 만족하지 않는다고 결정하는 경우, 제어 회로 (16) 는 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 포함하는 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 변화시켜, 후속의 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 CPV 가 전술된 기준을 만족하도록 (충전 회로 (12) 를 통해) 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류를 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. (예를 들어, 도 5a 내지 도 5f 참조). 예를 들어, 충전 패킷의 하나 이상의 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 CPV 가 미리결정된 상한 값보다 큰 경우 (예를 들어, 도 6a 참조), 제어 회로 (16) 는 충전 펄스(들)의 진폭 및/또는 폭을 감소시켜 이에 의해 후속의 패킷 (예를 들어, 직후의 패킷) 에서 배터리/셀 안에 보다 적은 전하를 주입할 수도 있다. 대안으로, 충전 패킷의 하나 이상의 펄스들에 응답하는 배터리/셀의 CPV 가 미리결정된 하한 값 미만인 경우 (예를 들어, 도 6b 참조), 제어 회로 (16) 는 충전 펄스(들)의 진폭 및/또는 폭을 증가시켜 이에 의해 후속의 패킷 (예를 들어, 직후의 패킷) 에서 배터리/셀 안에 더 많은 전류 또는 전하를 주입할 수도 있다.
특히, 제어 회로 (16) 는 충전 펄스 및/또는 충전 패킷에 하나 이상의 변형들을 통해 충전 시퀀스를 적응시킨다 - 예를 들어, CPV 가 미리결정된 범위 미만인 경우, 제어 회로는 충전 펄스(들)의 진폭을 증가시키고 폭을 감소시켜 이에 의해 후속의 패킷 (예를 들어, 직후의 패킷) 이지만 이전의 패킷/펄스에 대해 더 높은 진폭에서 배터리/셀 안에 동일한 양의 전류 또는 전하를 주입할 수도 있다. 유사하게, CPV 가 미리결정된 범위보다 큰 경우, 제어 회로 (16) 는 충전 펄스(들)의 진폭을 감소시키고 폭을 증가시켜 이에 의해 후속의 패킷 (예를 들어, 직후의 패킷) 이지만 이전의 펄스에 대해 더 낮은 진폭에서 배터리/셀 안에 동일한 양의 전류 또는 전하를 주입할 수도 있다. 실제로, 도 7a 를 참조하면, 일 실시형태에서, 제어 회로 (16) 는 충전 펄스의 진폭 및/또는 지속기간 뿐만 아니라 휴지 주기 (Trest) 의 지속기간을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 제어 회로 (16) 는 충전 회로 (12) 를 통해 충전 펄스의 진폭 및 지속기간 및 휴지 주기 (Trest) 의 지속기간을 조정하여 충전 패킷의 일정 주기 (Tpacket) 를 유지한다. 대안으로, 제어 회로 (16) 는 휴지 주기들 (Trest) 의 지속기간을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어하여, 충전에 대한 배터리/셀의 응답에 관한 다른 고려사항들 및 파라미터들 (예를 들어, (배터리/셀의 풀 또는 완전한 평형에 대한) 전체 완화 시간 또는 과전위, 및/또는 (배터리/셀의 부분 평형에 대한) 완화시간) 을 수용할 수도 있다. (예를 들어, 본원에 참조로서 포함되는, 출원 번호 제 13/366,352 호, "Method and Circuitry to Calculate the State of Charge of a Battery/Cell" 참조).
다른 실시형태에서, 충전 패킷이 하나 이상의 방전 펄스들을 포함하는 경우, 제어 회로 (16) 는 충전 회로 (12) 를 제어하는 것을 통해 충전 펄스(들) 및/또는 방전 펄스(들)의 하나 이상의 특성들 (예를 들어, 충전 펄스(들) 및/또는 방전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭) 을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어하여, 전술된 기준 (즉, 미리결정된 범위 내에 있고, 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 큼) 을 만족하는 CPV 를 제공할 수도 있다. 도 7b 를 참조하면, 제어 회로 (16) 는 직후의 패킷들에 대해 일정하거나 실질적으로 일정한 배터리/셀에 주입된 전류의 양, 및/또는 배터리/셀로부터 제거된 전하 또는 전류의 양을 유지하면서 펄스(들)의 특성들을 변화시킬 수도 있다. 대안으로, 제어 회로 (16) 는, 후속의 패킷(들)에 응답하는 전압에서의 변화가 하나 이상의 미리결정된 범위들 내에 있고/있거나 하나 이상의 미리결정된 값들 미만이도록 펄스(들)의 특성들을 변화시키고 배터리/셀에 인가된 또는 이에 주입된 전하 또는 전류의 양 및/또는 배터리/셀로부터 제거된 전하 또는 전류의 양을 변화시킬 수도 있다.
이와 같이, 이 실시형태에서, 제어 회로 (16) 는, 충전 패킷의 충전 펄스의 CPV 가 미리결정된 범위 내에 있고, 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 하는 방식으로 (충전 회로 (12) 를 제어하는 것을 통해) 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭, 및 방전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 또한, 제어 회로 (16) 는 휴지 주기들 (Tinter 및 Trest) 중 하나 또는 양자의 지속기간을 제어할 수도 있다. 일 실시형태에서, 제어 회로 (16) 는 충전 회로 (12) 를 통해 휴지 주기들 (Tinter 및 Trest) 중 하나 또는 양자의 지속기간 및 충전 및 방전 펄스들의 진폭 및 폭을 조정하여 충전 패킷의 일정 주기 (Tpacket) 를 유지한다. 대안으로, 제어 회로 (16) 는 배터리/셀의 CPV 에서의 변화에 관하여 충전 및/또는 방전 펄스들의 진폭 및/또는 지속기간을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 뿐만 아니라, 휴지 주기들 (Tinter 및 Trest) 중 하나 또는 양자의 지속기간을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어하여, 예를 들어 충전에 대한 배터리/셀의 응답에 관한 다른 고려사항들 및 파라미터들 (예를 들어, (배터리/셀의 풀 또는 완전한 평형에 대한) 전체 완화 시간 또는 과전위, 및/또는 (배터리/셀의 부분 평형에 대한) 완화시간) 을 수용할 수도 있다. (예를 들어, 출원 번호 제 13/366,352 호, "Method and Circuitry to Calculate the State of Charge of a Battery/Cell" 참조).
배터리/셀의 CPV 의 고려사항에 추가하여, 또는 이 대신에, 제어 회로는 복수의 충전 펄스들에 관하여 CPV 에서의 변화를 채용하여 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작을 적응시키고, 변경하고/하거나 변화시키는지 여부를 결정할 수도 있다. 이 점에서, 도 1a 및 도 4a 및 도 4b 를 참조하면, 모니터링 회로 (14) 는 연관된 충전 펄스들의 CPV 를 포함하는 복수의 충전 펄스들에 응답하여 배터리/셀의 단자 전압을 측정, 샘플링 및/또는 결정할 수도 있다. 이러한 데이터에 기초하거나 이를 이용하여, (전술된 바와 같이, 피크 전압 검출기 (디지털 또는 아날로그 유형 검출기일 수도 있음) 를 포함할 수도 있는) 제어 회로 (16) 는 연관된 제 1 충전 펄스 (CP1) 에 응답하는 CPV1, 및 연관된 제 2 충전 펄스 (CP2) 에 응답하는 CPV2 를 계산, 결정 및/또는 추정할 수도 있다. 제어 회로 (16) 는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있는지, 미리결정된 상한 값보다 큰지 및/또는 미리결정된 하한 값 미만인지 여부를 결정한다. (예를 들어, 도 5a 내지 도 5f 참조). 제어 회로 (16) 가 전술된 기준을 만족하는 CPV 에서의 변화를 계산, 결정 및/또는 추정하는 경우, 제어 회로 (16) 는 직후의 충전 패킷들과 관련되어 이전의 충전 패킷들의 특성들을 유지할 수도 있다 (그러나, 제어 회로 (16) 는 실제로 다른 고려사항들의 결과, 예컨대 SOH 및/또는 SOC 및/또는 부분 평형에 대한 완화 시간의 고려사항 측정치들에 따라 이러한 특성들을 변화시킬 수도 있다). 그러나, 제어 회로 (16) 가 전술된 기준 중 하나 이상을 만족하지 않는 CPV 에서의 변화를 계산, 결정 및/또는 추정하는 경우, 제어 회로 (16) 는 충전 패킷들과 관련되어 본원에 설명된 바와 같이 전하를 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 즉, 제어 회로 (16) 는 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 큰 후속의 충전 패킷들의 충전 펄스들에 응답하여 CPV 에서의 변화를 제어, 조정 및/또는 제공하도록 충전 펄스(들)의 특성들을 조정한다.
특히, 제어 회로는 (i) 순차적인 충전 패킷들의 연관된 충전 펄스들 (예를 들어, 도 4a 및 도 4b 참조) 및/또는 (ii) 비-순차적인 충전 패킷들의 연관된 충전 펄스들 (예를 들어, 도 4c 및 도 4d 참조) 의 CPV 들을 사용하여 CPV 에서의 변화를 계산, 결정 및/또는 추정할 수도 있다. 더욱이, 전술된 바와 같이, 제어 회로는 충전 시퀀스, 사이클 또는 동작과 관련되어 배터리/셀에 주입된 또는 이에 인가된 전하를 적응시키고, 조정하고/하거나 제어하는지 여부를 결정하는 경우, CPV (절대적 CPV 평가) 뿐만 아니라 CPV 에서의 변화 (상대적인 CPV 평가) 를 고려할 수도 있다.
본원에 언급한 바와 같이, 제어 회로 (16) 는 복수의 패킷들 및/또는 그 패킷 내 복수의 펄스들에 관련하는 배터리/셀의 평균화된 응답에 기초하거나 이용하여, 배터리/셀에 인가 또는 주입된 후속의 전하 또는 전류의 특성들을 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로 (16) 는 충전 회로 (12) 에 의해 생성되어 충전 패킷들에 의해 배터리/셀에 인가된 충전 펄스(들)의 형상, 진폭 및/또는 폭을, 복수의 충전 패킷에 걸쳐 복수의 충전 펄스들과 관련되는 CPV 에서의 평균 변화가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 유사하게, 본 발명들의 충전 기법들 및/또는 회로는 패킷의 복수의 충전 펄스들에 의해 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류를 패킷의 복수의 충전 펄스들에 걸쳐서 평균된 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 전술된 기준을 만족하도록 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다.
제어 회로 (16) 는 현재 알려져 있거나 또는 추후 개발되는 임의 유형의 에버리징 (averaging) 을 채용할 수도 있으며; 이 모두는 본 발명들이 범위 내에 포함되도록 의도된다. 예를 들어, 제어 회로 (16) 는 패킷들의 별개의 또는 상호 배타적인 그룹들 또는 "롤링" 평균을 채용할 수도 있으며, 충전 기법들 및/또는 회로는 충전 패킷에 응답하여, 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화로서 "새로운" 평균을 결정 또는 계산한다. 또한, 모든 유형들의 평균 및 평균 기법들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
특히, 충전 패킷들에 대한 논의는 방전 패킷의 펄스들의 제어에 적용할 수 있다. 이와 관련하여, 제어 회로 (16) 는 방전 패킷들의 하나 이상의 특성들을, 방전 패킷의 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 CPV 가 미리결정된 범위 내에 있고/있거나 미리결정된 상한 값 미만이고/이거나 미리결정된 하한 값보다 크도록 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 방전 패킷들은 하나 이상의 방전 펄스들 (예를 들어, 도 3k 내지 도 3n 참조) 뿐만 아니라, 그 방전 펄스(들) (예를 들어, 도 3k, 도 3m 및 도 3n 참조) 에 추가하여, 하나 이상의 충전 펄스들을 포함한다.
요약하면, 충전 패킷들과 유사한 동작에서, 모니터링 회로 (14) 는 방전 패킷의 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 CPV 를 측정, 샘플링 및/또는 결정하고, 그 대표인 데이터를 제어 회로 (16) 에 제공하는데, 제어 회로는 방전 패킷의 연관된 충전 펄스에 응답하여 배터리/셀의 CPV 를 결정한다. 동작은 충전 패킷과 관련되어 본원에 설명된 것과 동일하다. 간결함을 위해, 이러한 논의는 반복되지 않을 것이다.
특히, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값은 고정될 수도 있거나, 또는 예를 들어, 시간 또는 이용에 걸쳐서, 및/또는 배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 상태들 (예를 들어, SOC 및/또는 SOH) 및/또는 충전까지의 또는 동안의 배터리/셀의 응답들에 기초하여 변화 또는 조정될 수도 있다. 일 실시형태에서, 미리결정된 범위는 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초한다. 예를 들어, 경험적 데이터에 기초하여, 배터리/셀과 연관되는 제어 회로 (16) 는 미리결정된 범위들을 배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 상태들 (예를 들어, 배터리/셀의 SOC 및/또는 SOH) 및/또는 충전까지의 또는 동안의 배터리/셀의 응답들에 기초하여 결정, 계산 및/또는 채용할 수도 있다. 이러한 미리결정된 범위들, 상한 값 및/또는 하한 값은 고정되거나 (예를 들어, 고정된 또는 미리결정된 패턴에 따르거나) 또는 변할 수도 있다.
일 실시형태에서, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값에서의 변화들은 배터리/셀의 하나 이상의 조건들 또는 상태들 및/또는 충전 프로세스까지 또는 이 동안의 배터리/셀의 응답들에 기초할 수도 있다. 예를 들어, 미리결정된 범위들은 예를 들어 SOC, SOH, 과전위 또는 (배터리/셀의 풀 또는 완전한 평형에 대한) 전체 완화 시간 및/또는 (배터리/셀의 부분 평형에 대한) 완화 시간을 포함하는 배터리/셀의 하나 이상의 파라미터들에 기초하여 또는 이들에 따라 변하고/하거나 적응할 수도 있다. 실제로, 배터리/셀이 종래의 케미스트리, 설계 및 재료들을 채용하는 통상의 재충전가능 리튬-이온 (Li+) 배터리/셀인 일 실시형태에서, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값은 배터리/셀의 SOC 에 의존할 수도 있다 - 예를 들어, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값은 SOC 에 따라 변할 수도 있다 (예를 들어, SOC 가 0-10% 사이인 경우 제 1 기준 세트, (ii) SOC 가 10-20% 사이인 경우 제 2 기준 세트, (iii) SOC 가 20-30% 사이인 경우 제 3 기준 세트, (iv) SOC 가 30-50% 사이인 경우 제 4 기준 세트, (v) SOC 가 50-60% 사이인 경우 제 5 기준 세트, (vi) SOC 가 60-70% 사이인 경우 제 6 기준 세트, (vii) SOC 가 70-80% 사이인 경우 제 7 기준 세트, (viii) SOC 가 80-90% 사이인 경우 제 8 기준 세트, (ix) SOC 가 90-100% 사이인 경우 제 9 기준 세트).
따라서, 일 실시형태에서, 제어 회로 (16) 는 하나 이상의 미리결정된 범위들을 배터리/셀의 스테이터스 또는 상태에 기초하여 (예를 들어, 배터리/셀의 SOC, 배터리/셀의 SOH, 과전위 및/또는 완화 시간을 나타내는 데이터에 기초하거나 이용하여) 계산, 결정하고/하거나 채용할 수도 있다. 즉, 제어 회로 (16) 에 의해 채용되며 배터리/셀의 CPV 에서의 변화가 평가될때 채용된 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값은 배터리/셀의 스테이터스 또는 상태, 예를 들어, 배터리/셀의 SOC 및 배터리/셀의 SOH 에 의존할 수도 있다.
일 실시형태에서, 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터에 기초하여, 제어 회로 (16) 또는 외부 회로는 특정 배터리/셀에 대해 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값의 초기 세트를 계산 또는 결정할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, (i) 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터 및 (ii) 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초하거나 또는 이용하여, 제어 회로 (16) 또는 외부 회로는 특정의 또는 연관된 배터리/셀에 대한 기준의 세트를 계산 또는 결정할 수도 있다. 이러한 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값은 배터리/셀의 하나 이상의 상태들 (예를 들어, 배터리의 SOC) 에 기초할 수도 있다. 제어 회로는 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값을 배터리/셀의 수명 또는 이용에 걸쳐서 - 예를 들어, 배터리/셀의 변화 조건들 (예를 들어, 배터리/셀의 측정된 SOH) 에 기초하여, 적응적으로 조정할 수도 있다.
특히, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값의 세트는 제어 회로 (16) 에 의해 또는 제어 회로 (16) 이외의 회로 (예를 들어, 제어 회로 (16) 에 대해 "오프-디바이스" 또는 "오프-칩" 인 회로) 에 의해 계산 또는 결정될 수도 있다. 미리결정된 범위들은 제조, 테스트 또는 보정 동안 메모리에 (예를 들어, 데이터베이스 또는 룩업 테이블에) 저장될 수도 있으며, 그 동작 동안 본 발명들의 적응적 회로 및/또는 프로세스들에 액세스할 수 있다.
일 실시형태에서, 미리결정된 범위, 상한 값 및/또는 하한 값의 세트는 (예를 들어, 배터리의 SOC 에 기초하여) 계산 또는 결정되어, 메모리에 (예를 들어, 제조, 테스트 또는 보정 동안) 저장될 수도 있다. 그 후, 제어 회로는 범위들의 세트를 배터리/셀의 조건 - 예를 들어, 배터리/셀의 SOH 에 기초하여, 조정하거나 또는 적응시킬 수도 있다. 대안으로, 메모리는 미리결정된 범위들 및/또는 한계들의 다수의 세트들을 (예를 들어, 룩업 테이블 또는 매트릭스에) 저장할 수도 있고 제어 회로 (16) 는 주어진 미리결정된 범위 및/또한 한계(들)을 배터리/셀의 SOC 및 SOH 를 포함한 배터리/셀의 하나 이상의 조건들에 기초하여 채용한다. 따라서, 이 실시형태에서, 제어 회로 (16) 에 의해 채용되는 미리결정된 범위들 및 한계들은 미리결정된 한계들 및/또는 범위들의 세트를 나타내거나 또는 "식별하는" 배터리/셀의 SOH, 및 미리결정된 범위들 및 한계(들)의 세트 내의 특정의 미리결정된 범위들 및/또는 한계(들)을 나타내거나 또는 "식별하는" 배터리/셀의 SOC 에 의존한다. 이들 실시형태들에서, 제어 회로는 충전 프로세스의 제어를 배터리/셀의 열화하는 SOH 에 기초하거나 또는 응답하여 적응시킨다. 미리결정된 범위들 및/또는 한계들 또는 특정의 미리결정된 범위/한계의 세트는 또한 예를 들어, 배터리/셀의 과전위, 완화 시간 및/또는 온도를 포함한, 배터리/셀의 다른 파라미터들의 상태 또는 스테이터스와 같은 다른 고려사항들에 의존할 수도 있다 (예를 들어, 일 실시형태에서, 미리결정된 범위들은 배터리/셀의 온도에서의 증가에 따라 증가할 수도 있다).
미리결정된 범위들 또는 한계(들)은 현재 알려져 있거나 또는 추후 개발될 임의의 메모리에 저장될 수도 있으며; 이의 모두는 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 예를 들어, 메모리는 (예를 들어, 재프로그래밍될 때까지) 영구적인, 반영구적인 또는 일시적인 메모리일 수도 있다. 일 실시형태에서, 메모리는 일회 프로그래밍가능할 수도 있거나, 및/또는 미리결정된 범위(들)의 데이터, 방정식들, 관계들, 데이터베이스 및/또는 룩업 테이블은 (예를 들어, 테스트 동안 또는 제조 시에 프로그래밍되는) 일회 프로그래밍가능 메모리에 저장될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 메모리는 한 번보다 많이 프로그래밍가능할 수 있으며, 이와 같이, 미리결정된 범위(들) 및/또는 한계(들)은 초기 저장 이후 (예를 들어, 테스트 및/또는 제조 후) 외부 또는 내부 회로를 통해서 업데이트, 기록, 재기록 및/또는 변경될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1c 를 참조하면, 메모리 (18) 는 다른 회로 (예를 들어, 제어 회로 (16)) 에 통합 또는 내장되거나, 및/또는 별개일 수도 있다. 메모리 (18) 는 임의의 종류 또는 유형 (예를 들어, EEPROM, 플래시, DRAM 및/또는 SRAM) 일 수도 있다. 메모리 (18) 는 미리결정된 범위들/한계(들), 방정식들, 및 관계들을 나타내는 데이터를 저장할 수도 있다. 이러한 데이터는 데이터베이스 및/또는 룩업 테이블에 포함될 수도 있다.
따라서, 일 실시형태에서, 배터리/셀의 SOC 에 대한 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화의 상관은 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초할 수도 있다. 예를 들어, 실험적 데이터에 기초하여, 주어진 배터리/셀과 연관된 회로 (예를 들어, 소정 시리즈들, 제조 로트, 케미스트리 및/또는 설계) 는 미리결정된 상관을 결정, 계산 및/또는 채용할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터에 기초하여, 제어 회로 또는 시스템 외부의 회로는 배터리/셀의 SOC 에 대한 CPV 에서의 변화 및/또는 측정된 CPV 의 상관을 계산 또는 결정할 수도 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어 (i) 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터 및 (ii) 경험적 데이터, 테스트 데이터, 시뮬레이션 데이터, 이론적 데이터 및/또는 수학적 관계에 기초하거나 이들을 이용하여, 제어 회로 (또는 외부 회로) 는 특정 또는 연관된 배터리/셀에 대한 SOC 에 대한 CPV 에서의 변화 및/또는 측정된 CPV 의 상관을 계산, 추정 또는 결정할 수도 있다. 실제로, 일 실시형태에서, 제어 회로는 예를 들어, 배터리/셀의 충전 조건들 (예를 들어, 배터리/셀의 측정된 SOH) 에 기초하여 배터리/셀의 수명 또는 사용에 대하여 SOC 에 대한 CPV 에서의 변화 및/또는 측정된 CPV 의 상관을 적응적으로 조정할 수도 있다.
다른 실시형태에서, 특정 배터리/셀에 대한 초기의 미리결정된 CPV 범위/한계들 또는 미리결정된 CPV 범위들/한계들의 세트는 배터리/셀의 초기화, 특성화 또는 보정 데이터에 기초하거나 이들을 이용할 수도 있다. 초기화, 특성화 및/또는 보정 데이터는 특성화 시퀀스에 대한 배터리/셀의 응답을 나타낼 수도 있다. 일 실시형태에서, 특성화 시퀀스는 배터리/셀에 충전 신호들을 인가할 수도 있다. 그 후, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 (배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화를 포함하는) 배터리/셀에 의한 이러한 신호들에 대한 응답을 평가할 수도 있다. 이에 기초하여, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 특정 배터리/셀에 대한 미리결정된 과전위 범위들을 계산 또는 결정할 수도 있다. 이러한 초기화, 특성화 또는 보정 데이터는 주어진 배터리/셀에 관한 "고유" 데이터를 획득하기 위한 특성화 시퀀스를 포함할 수도 있는 예를 들어 제조, 테스트 또는 보정 시에 획득, 포착 및/또는 결정될 수도 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 소정 실시형태들에서 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로들을 구현하는 것과 관련되는 2 개의 고려사항들은 (ｉ) 총 충전 시간을 최소화하고/하거나 감소시키는 것, 및 (ⅱ) 사이클 수명을 최대화하고/하거나 증가시키는 것을 포함한다. 소정 상황들 하에서, 배터리/셀의 사이클 수명을 연장시키기 위해 가장 느린 가능한 충전 속도로 배터리/셀을 충전시키는 것이 바람직하다. 그러나, 실제적인 이유들에서 사용자는 주어진 기간 (예를 들어, 최대 허용된 기간) 내에 배티러/셀을 충전시키는 것이 바람직할 수도 있다. 통상적으로, 배터리/셀의 애플리케이션에 따라 사양 값 (specification value) 이 정의, 선정 및/또는 선택된다. 예를 들어, 이것은 가전 제품에서 채용된 종래의 배터리들에 대해 대략 2 내지 4 시간이고 수송 애플리케이션에서 채용된 종래의 배터리들에 대해 이것은 최대 8 시간일 수도 있다. 이는 순 유효 충전 전류에 대한 사양을 초래한다. 더욱이, 배터리/셀의 사이클 수형을 최대화 및/또는 증가시키기 위해, (ｉ) 낮은 전류에서 배터리/셀을 충전하고 (ⅱ) 충전 주기들 사이에 완화 시간 또는 휴지 주기들을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, 소정 양태들에서, 본 발명들의 충전 회로는 (ｉ) 배터리/셀의 총 충전 시간을 최소화 및/또는 감소시키고 (ⅱ) (예를 들어, 충전 동작의 열화 메커니즘들을 최소화 및/또는 감소시킴으로써) 배터리/셀의 사이클 수명을 최대화 및/또는 증가시키기 위한 적응적 기법들을 구현한다.
본원에서는, 많은 발명들이 설명되고 도시된다. 본 발명들의 소정 실시형태들, 피처들, 속성들 및 이점들이 설명되고 도시되었지만, 상이한 및/또는 유사한 본 발명들의 실시형태들, 피처들, 속성들 및 이점들, 뿐만 아니라 많은 다른 것들이 그 설명 및 도시들로부터 명백히 알 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이와 같이, 본원에서 설명 및 도시되는 본 발명들의 실시형태들, 피처들, 속성들 및 이점들은 완전한 것이 아니며, 본 발명들의 이러한 다른, 유사할 뿐만 아니라 상이한, 실시형태들, 피처들, 속성들 및 이점들도 본 발명들의 범위 내에 있는 것으로 이해되어야 한다. 실제로, 본 발명들은 임의의 단일 양태 또는 그의 실시형태에 한정되지 않으며, 이러한 양태들 및/또는 실시형태들의 임의의 조합들 및/또는 치환들에도 한정되지 않는다. 더욱이, 본 발명들, 및/또는 그 실시형태들의 양태들 각각은 단독으로 채용되거나 또는 본 발명들 및/또는 그 실시형태의 다른 양태들 중 하나 이상과 조합하여 채용될 수도 있다.
예를 들어, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및 회로는 (예를 들어, (i) 하나 이상의 충전 펄스들에 응답하는 CPV (및/또는 CPV 에서의 변화), (ii) 부분 완화 시간, (iii) 배터리/셀의 SOC, (iv) 전체 완화 시간 또는 과전위 및/또는 (v) 배터리/셀의 SOH (또는 그 안에서의 변화들) 을 포함한) 본원에서 설명하는 파라미터들 중 하나 이상 (또는 모두) 을 모니터링하고/하거나 결정하고, 이러한 파라미터들의 하나 이상 (또는 모두) 을 제어하기 위해서, 충전 시퀀스의 특성들 (예를 들어, 전하의 양, 휴지 주기들의 길이 및 상대적인 로케이션, 충전 신호들의 진폭, 충전 또는 충전 신호들의 지속기간 또는 폭 및/또는 충전 신호들의 형상) 를 응답적으로 적응시킬 수도 있다. 본 발명들은 이러한 모니터링 및/또는 적응의 임의의 조합 및/또는 치환 어느 쪽에도 한정되지 않는다. 실제로, 제어 회로는 이러한 기법들을 채용하고/하거나 이러한 파라미터들을 임의의 조합으로 제어할 수도 있으며; 이들의 모든 조합 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
예를 들어, 일 실시형태에서, 제어 회로는, 상이한 레이트들에서 결정되는 전술한 파라미터들 중 하나 이상 (또는 모두) 의 스테이터스 또는 상태를 이용하여, 배터리/셀에 주입되는 전하의 특성을 (예를 들어, 충전 회로에 의해 출력된 전류 신호의 형상, 진폭 및/또는 지속기간을 제어하는 것을 통해서) 적응시키고, 조정하고/하거나 제어한다. 도 8a 내지 도 8e 를 참조하면, 제어 회로는 배터리/셀에 주입되는 전하의 특성을 (충전 회로의 제어를 통해서) 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할지 여부를 결정하기 위해서, 하나 이상의 적응 루프들을 구현할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로는 충전 시퀀스의 특성들을 응답적으로 적응시키기 위해서 (예를 들어, 하나 이상의 패킷들의) 하나 이상의 충전 펄스들에 응답하는 CPV (및/또는 CPV 에서의 변화) 및/또는 부분 완화 시간을 모니터링하고/하거나 결정하는 제 1 적응 루프를 채용할 수도 있다. (예를 들어, 도 9a 참조). 여기서, 제어 회로는 제 1 루프의 파라미터들을 모니터링하고/하거나 결정하고/하거나 충전 시퀀스의 특성들을 제 1 루프의 파라미터들을 제 1 레이트 (예를 들어, 충전 펄스의 애플리케이션 또는 충전 펄스들의 수) 에서 기초하거나 또는 이용하여 응답적으로 적응시킬 수도 있다.
이에 더하여, 또는 이 대신에, 제어 회로는 충전 시퀀스의 특성들을 응답적으로 적응시키기 위해서, 배터리/셀의 SOC 및/또는 전체 완화 시간 또는 과전위를 결정 또는 추정하는 제 2 적응 루프를 채용할 수도 있다. (예를 들어, 도 9b 참조). 여기서, 제어 회로는 제 2 루프의 파라미터들을 모니터링하고/하거나 결정 또는 추정하고/하거나, 충전 시퀀스의 특성들을 제 2 루프의 파라미터들을 기초하거나 또는 이용하여 제 2 레이트 (제 1 레이트보다 작은 - 예를 들어, 1 내지 1000 초) 에서 응답적으로 적응시킬 수도 있다.
제어 회로는 이에 더하여 또는 이에 대신하여, 충전 시퀀스의 특성들을 응답적으로 적응시키기 위해서, 배터리/셀의 SOH (또는 그 안에서의 변화들) 를 결정 또는 추정하는 제 3 적응 루프를 채용할 수도 있다. (예를 들어, 도 9c 참조). 여기서, 제어 회로는 제 3 루프의 파라미터를 모니터링하고/하거나 결정 또는 추정하고/하거나, 충전 시퀀스의 특성들을 제 3 루프의 파라미터를 기초하거나 또는 이용하여 제 3 레이트 (제 1 및 제 2 레이트들보다 작은 - 예를 들어, 미리결정된 충전 횟수 및/또는 방전 사이클들 이후 (예를 들어, 1 - 10 충전 및/또는 방전 사이클들)) 에서 응답적으로 적응시킬 수도 있다.
특히, 제어 회로는 이에 더하여 또는 이에 대신하여, 충전 시퀀스의 특성들을 응답적으로 적응시키기 위해서, 충전 동안 배터리/셀의 온도 (또는 그 안에서의 변화들) 를 결정 또는 추정하는 제 4 적응 루프를 채용할 수도 있다. (예를 들어, 도 9d 참조). 여기서, 제어 회로는 배터리/셀의 온도를 모니터링하고/하거나 결정 또는 추정하고/하거나, 충전 시퀀스의 특성들을 배터리/셀의 온도에 기초하거나 또는 이용하여 제 4 레이트에서 (제 1, 제 2 및/또는 제 3 레이트들과는 상이한 -- 예를 들어, 5 분 마다 및/또는 SOC 결정 또는 추정 동안) 응답적으로 적응시킬 수도 있다.
도 8e 를 참조하면, 제어 회로는 N 개의 적응 루프들 (여기서, N 은 자연수 - 즉, 1, 2,...) 을 포함하는 기법을 구현할 수도 있으며, 여기서 제어 회로는 각각의 루프와 연관되는 파라미터들을 결정 또는 추정하고/하거나, 충전 시퀀스의 특성들을 각각의 루프의 연관된 파라미터에 기초하거나 또는 이용하여 대응하는 레이트에서 응답적으로 적응시킨다. 특히, 상기 실시형태들의 각각에서, 모니터링 회로는 배터리/셀의 상태, 파라미터들 및/또는 특성들 (예를 들어, 단자 전압) 을 전술한 레이트들에 따라서 및/또는 연속적으로, 간헐적으로 및/또는 주기적으로 모니터링할 수도 있다.
따라서, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및 회로는 하나 이상의 적응 루프들을 각각 하나 이상의 상이한 파라미터들에 기초하여 구현할 수도 있다. 본 발명들은 이러한 적응 루프들의 임의의 조합 및/또는 치환 어느 쪽에도 한정되지 않는다. 실제로, 제어 회로는 이러한 적응 루프들을 단독으로/따로 또는 임의의 조합으로 채용할 수도 있으며; 이들의 모든 조합 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
제어 회로가 적응 루프를 구현하는 레이트는 시간적으로 기초하고/하거나 이벤트에 기초할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로는 SOC 또는 SOH (및/또는 그 안에서의 변화들) 를 하나 이상의 이벤트들 및/또는 충전 응답 특성들에 기초하여 추정, 계산, 측정하고/하거나 결정할 수도 있다 (예를 들어, 전하 보유된 및/또는 제공된 배터리/셀은 SOC 또는 SOH 데이터와 "일치하지 않으며" 및/또는 충전 동안 SOC, SOH, 완화 시간 및/또는 배터리/셀의 단자들에서의 전압 사이에 "일치하지 않는다"). 즉, 일 실시형태에서, 하나 이상의 이벤트들 (예를 들어, 충전 시퀀스/사이클의 시작 또는 개시) 및/또는 (예를 들어, 배터리/셀 충전 응답 특성들 또는 예를 들어, (메모리에 저장될 수도 있는) SOH 가 추정되거나 또는 결정될 수도 없다는 것을 암시하는 파라미터들 사이의 "불일치성" 으로 인한) "트리거가능한 (triggerable)" 충전 응답 특성들을 검출하는 것에 응답하여, 제어 회로는 배터리/셀의 SOH (및/또는 그 안에서의 변화들) 를 추정, 계산, 측정하고/하거나 결정하고, 배터리/셀에 주입되는 전하의 양을 배터리/셀의 SOH (및/또는 그 안에서의 변화들) 에 기초하거나 또는 이용하여 적응시키고, 조정하고/하거나 제어한다.
또한, 여러 예시적인 실시형태들이 리튬 이온 기술/케미스트리 기반의 배터리/셀 (예를 들어, 리튬-이온 이산화물 (lithium-cobalt dioxide), 리튬-망간 이산화물 (lithium-manganese dioxide), 리튬-철 포스페이트 (lithium-iron phosphate), 및 리튬-철 이황화물 (lithium-iron disulfide)) 에 대한 회로 및/또는 기법들의 관점에서 설명하고/하거나 도시되지만, 본원에서 설명하고/하거나 도시하는 본 발명들은 또한 예를 들어, 니켈-카드뮴 및 다른 니켈 금속 수소화물 (nickel metal hydride) 케미스트리들/기술들을 포함한, 다른 전해질 배터리 케미스트리들/기술들과 함께 구현될 수도 있다. 이와 같이, 리튬 이온 기반의 배터리들/셀들의 관점에서 설명된 실시형태들은 단지 예시적이며; 본원에서 설명하는 바와 같은 본 발명들의 피처들의 하나 이상을 구현하는 다른 전해질 배터리 케미스트리들/기술들은 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 다른 실시형태들이 이용될 수도 있으며 동작의 변화들이 본 발명들의 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 실제로, 예시적인 본 발명의 실시형태들의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적들을 위해 제시되었다. 본 발명들의 범위가 단지 상기 설명에만 한정되지 않는 것으로 의도된다.
또한, 위에서 설명한 바와 같이, 제어 회로는 충전 또는 방전 신호 및/또는 패킷의 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화를 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 추정, 계산, 측정하고/하거나 결정할 수도 있다. 이에 더해, 제어 회로는 충전 또는 방전 신호, 패킷 및/또는 펄스의 특성들을 (예를 들어, 충전 회로의 신호 출력의 형상, 진폭 및/또는 지속기간을 제어하는 것을 통해서) CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있는지, 미리결정된 상한보다 작은지 및/또는 미리결정된 하한보다 큰지 여부에 기초하여, 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 따라서, 일 실시형태에서, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 배터리/셀의 CPV 를 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 측정 또는 모니터링한다. 이러한 데이터에 기초하거나 또는 이용하여, 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 배터리/셀의 후속 충전 및 방전을, CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 기준 중 하나 이상을 만족하도록 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 결정하고/하거나 적응시킬 수도 있다. 따라서, 본 발명들의 적응적 충전 기법들 및/또는 회로는 (i) 배터리/셀의 단자 전압을 간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로 측정 또는 모니터링하고, (ii) (충전 및 방전 펄스(들)에 응답하는) 배터리/셀의 CPV 및/또는 CPV 에서의 변화를 결정하고 (iii) CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 미리결정된 범위 내에 있는 여부 및/또는 미리결정된 한계들을 만족하는지 여부를 간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로 결정하고/하거나 (ⅳ) 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류의 특성들 (예를 들어, 인가된 전하 또는 전류의 진폭) 을, CPV 및/또는 CPV 에서의 변화가 전술된 기준을 만족하도록 간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로 적응시키고, 조정하고/하거나 제어할 수도 있다. 모든 치환들 및 조합들은 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 실제로, 이러한 실시형태들은 (i) 하나 이상의 충전 펄스들을 갖는 충전 패킷들 및 (ii) 하나 이상의 충전 펄스들 및 하나 이상의 방전 펄스들을 갖는 충전 패킷들을 인가하거나 또는 주입하는 충전 기법들 및/또는 회로에 적용할 수 있다.
더욱이, 일 실시형태에서, 전류 충전 회로에 의해 배터리/셀에 생성, 출력 및/또는 인가되는 예시적인 충전 및 방전 신호들은 복수의 패킷들 (예를 들어, 초기 SOC 및 최종 SOC 에 따라서 약 1,000 내지 약 50,000 개의 패킷들) 을 포함하는 것으로 특징지어질 수도 있으며, 여기서 각각의 패킷은 복수의 전류 펄스들 (예를 들어, 각각의 패킷에서 1 내지 약 50 개의 펄스들) 을 포함한다. (도 3a - 도 3k 및 도 5a 참조, 도시된 예시적인 패킷들은 여러 특성들 (예를 들어, 펄스들의 프로그래밍가능한 수, 펄스 형상들, 시퀀스, 충전 및 방전 펄스들의 조합 및/또는 간격, 펄스 폭들 및/또는 듀티 사이클들) 을 나타낸다). 충전 펄스들 및 방전 펄스들은 임의의 형태 (예를 들어, 직사각형, 삼각형, 사인곡선 또는 사각형) 일 수도 있다. (예를 들어, 도 10a 내지 도 10d 및 도 11a - 도 11d 참조). 더욱이, 전류 또는 충전 펄스들은 (고정된, 프로그래밍가능한 및/또는 제어가능한 형상들, 펄스 폭들 및/또는 듀티 사이클들을 각각 갖는) 충전 및 방전 펄스들을 포함할 수도 있다. (예를 들어, 도 3c 내지 도 3g 참조).
또한, 패킷들은 또한 프로그래밍가능한 또는 제어가능한 지속기간들을 갖는 하나 이상의 휴지 주기들을 포함할 수도 있다. 즉, 각각의 패킷은 하나 이상의 휴지 주기들을 포함할 수도 있으며, 여기서 각각의 휴지 주기 (하나보다 많으면) 은 프로그래밍가능한 및/또는 제어가능한 시간 폭/지속기간을 갖는다. (예를 들어, 도 6a 및 도 7a 참조).
특히, 예시적인 일 실시형태에서, 패킷의 충전 및/또는 방전 펄스들은 약 1ms 와 약 100ms 사이, 바람직하게는, 30ms 보다 작은 시간 지속기간을 포함한, 사각형 형태이다. (예를 들어, 도 7a 및 도 7b 참조). 이 예시적인 패킷은 하나 또는 2 개의 충전 펄스들 및 하나의 방전 펄스 (예를 들어, 1 : 1, 2 : 1 및/또는 3 : 2 충전 펄스들 대 방전 펄스들) 을 포함하며, 여기서, 진폭들 및 듀티 사이클들은 프로그래밍할 수 있다. (예를 들어, 도 7a 및 도 7b 참조). 또한, 이 예시적인 실시형태에서, 각각의 패킷은 프로그래밍가능한 및/또는 제어가능한 시간 폭/길이를 갖는 하나의 휴지 주기를 포함한다. 예시적인 일 실시형태에서, 중간 휴지 주기는 약 1ms 과 약 20ms 사이의 시간 길이 또는 지속기간을 포함한다. 또한, 휴지 주기는, 예시적인 일 실시형태에서, 약 1 ms 과 약 200ms 사이의 시간 길이 또는 지속기간을 포함한다. 특히, 제어 회로 (16) 는 시간 폭/길이 프로그래밍가능한 휴지 주기들 (예를 들어, 도 7a 및 도 7b 에서 휴지 주기 (Trest)) 을 배터리/셀의 완화 시간을 나타내는 데이터에 기초하거나 또는 이용하여 적응시킨다.
실제로, 동작시, 예를 들어, 펄스들의 형상, 진폭 및/또는 지속기간을 포함한, 충전 펄스들 및/또는 방전 펄스들의 특성들의 하나, 일부 또는 모두는 충전 회로 (12) 를 통해서 프로그래밍가능하고/하거나 제어가능하다. 더욱이, (패킷 내) 충전 및 방전 펄스들의 시퀀스는 충전 회로 (12) 를 통해서 프로그래밍할 수 있다. 예를 들어, 방전 펄스는 충전 펄스에 선행할 수도 있고/있거나 그 패킷은 방전 펄스들보다 더 많은 충전 펄스들 (예를 들어, 2 : 1 또는 3 : 2 충전 펄스들 대 방전 펄스들) 또는 충전 펄스들보다 더 많은 방전 펄스들 (예를 들어, 2 : 1 또는 3 : 2 충전 펄스들 대 방전 펄스들) 을 포함할 수도 있다.
더욱이, 충전 및/또는 방전 펄스들의 진폭은 그 패킷 내에서 변할 수도 있고 (그리고, 제어 회로를 통해서 프로그래밍하고/하거나 제어할 수 있고), 충전 및/또는 방전 펄스들의 지속기간은 변할 수도 있으며 (그리고, 제어 회로를 통해서 프로그래밍하고/하거나 제어할 수 있고), 및/또는 휴지 주기(들)의 지속기간 및/또는 타이밍은 그 패킷 내에서 변할 수도 있다 (그리고, 제어 회로를 통해서 프로그래밍하고/하거나 제어할 수 있다). 또한, 제어 회로는 이러한 프로그래밍가능한 특성들을, 이러한 펄스들에 응답하는 배터리/셀의 단자들에서의 전압 변화가 미리결정된 범위 내에 있도록 채용할 수도 있다.
본원에서 나타낸 바와 같이, 제어 회로는 충전 회로를 통해서 배터리/셀에 입력되는 전하의 양 및/또는 배터리/셀로부터 제거되는 전하의 양을 관리, 조정, 프로그래밍하고/하거나 제어할 수도 있다. 예를 들어, 배터리/셀에 입력되는 전하의 양은 충전 펄스들의 특성들 (예를 들어, 펄스 진폭, 펄스 폭/지속기간 및 펄스 형상) 을 조정, 제어하고/하거나 수정하는 것을 통해서 제어될 수도 있다. 유사하게, 배터리/셀로부터 제거되는 전하의 양은 방전 펄스들의 특성들 (예를 들어, 펄스 진폭, 펄스 폭/지속기간 및 펄스 형상) 을 조정, 제어하고/하거나 수정하는 것을 통해서 제어될 수도 있다.
이에 더하여, 또는 이 대신에, 제어 회로는 충전 회로의 제어를 통해서, 시간 경과에 따른, 배터리/셀에 입력되는 전하의 양 대 배터리/셀로부터 제거되는 전하의 양의 비를 관리, 조정, 프로그래밍하고/하거나 제어할 수도 있다. 일 실시형태에서, 제어 회로는 (소정 또는 미리결정된 전하의 양을 배터리/셀에 입력하는) 충전 패킷들 대 (배터리/셀로부터 소정 또는 미리결정된 전하의 양을 제거하는) 방전 패킷들의 비를 적응시키고, 조정하고/하거나 제어한다. 예를 들어, 이 제어는 5 와 10 사이의 충전 패킷들 대 방전 패킷들의 비를 제공할 수도 있으며, 바람직한 실시형태에서, 이 비는 10 보다 더 크다.
이에 더하여, 또는 이 대신에, 또 다른 실시형태에서, 제어 회로는 이 비를 패킷 (즉, 충전 패킷 및/또는 방전 패킷) 단위 당으로 조정, 프로그래밍하고/하거나 제어할 수도 있다. 이와 관련하여, 제어 회로는 시간 경과에 따른, 배터리/셀에 입력되는 전하의 양 대 배터리/셀로부터 제거되는 전하의 양의 비를 제공, 관리, 조정, 프로그래밍하고/하거나 제어하기 위해서, 패킷 당 입력되는 전하의 양, 및 패킷 당 제거되는 전하의 양을 조정, 프로그래밍하고/하거나 제어한다. 따라서, 이 예시적인 실시형태에서, 제어 회로는 이 비를, 충전 회로를 제어하는 것을 통해서, 패킷-바이-패킷 단위로 조정, 프로그래밍하고/하거나 제어한다.
특히, 입력되는 전하의 양 대 제거되는 전하의 양의 더 적은 비는 충전 시간을 예를 들어, 최적 값 미만까지 연장시킬 것이다. 이 상황들 하에서, 충전 기법은 충전 시간을 증가시키는 것을 통해서, 사이클 수명을 증가시킨다. 그러나, 위에서 나타낸 바와 같이, 소정 양태들에서, 본 발명들의 적응적 충전 회로 및 기법들은 (i) 총 충전 시간을 최소화하고/하거나 감소시키기 위해서, 그리고 (ii) 사이클 수명을 최대화하거나 또는 증가시키기 위해서, 충전 프로파일을 제공하고, 향상시키고, 제어하고, 최적화하고/하거나 조정할 수도 있다. 이와 같이, 소정 실시형태들에서, 본 발명들의 적응적 충전 회로 및 기법들은 배터리/셀의 사이클 수명을 관리하고, 증가시키고/시키거나 최대화하지 않고 충전 시간을 감소시키기 위해서, 충전 프로파일을 제공하고, 향상시키고, 제어하고, 최적화하고/하거나 조정할 수도 있다. 유사하게, 소정 실시형태들에서, 본 발명들의 적응적 충전 회로 및 기법들은 배터리/셀의 충전 시간을 관리하고, 감소시키고/시키거나 최소화하지 않고 배터리/셀의 사이클 수명을 증가시키기 위해서, 충전 프로파일을 제공하고, 향상시키고, 제어하고, 최적화하고/하거나 조정할 수도 있다.
따라서, 본원에서 설명 및/또는 도시되는 적응적 충전 기법들 (배터리/셀의 단자들에서의 전압 변화가 미리결정된 범위 내에 있도록, 배터리/셀에 인가 또는 주입되는 전하 또는 전류의 하나 이상의 특성들을 적응, 조정 및/또는 제어하는 충전 기법들) 중 하나 이상을 구현할 때, 충전 펄스들 및/또는 방전 펄스들의 특성들은 제어 회로에 의해 프로그래밍가능하고, 제어가능하며, 결정된다.
연속되는 충전 및 방전 패킷들의 특성들은 반복될 수도 있다. 즉, 충전 펄스들, 방전 펄스들 및 휴지 주기들의 조합은 조합 형태 패킷으로 반복될 수도 있다. 이러한 충전 또는 방전 신호의 패킷들은 반복될 수도 있다. 충전 펄스들 및 방전 펄스들의 모든 조합 또는 치환들은 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
특히, 이러한 충전 신호들 및 방전 신호들은 충전 주기에 걸쳐서 반복될 수도 있다. 제어 회로는 충전 펄스들, 방전 펄스들 및 그의 휴지 주기들을 포함한, 충전 신호들 및/또는 방전 신호들의 파라미터들 또는 특성들 중 하나 이상을, 구성 패킷들 중 하나 이상을 제어하는 것을 통해서, 제어하고, 조정하고, 계산하고/하거나 변경할 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 충전 및/또는 방전 신호들의 하나 이상의 패킷들의 충전 및/또는 방전 펄스들의 파라미터들 또는 특성들, 즉, 펄스들의 형태, 지속기간들 및/또는 전류 진폭들은, 본원에서 설명하는 적응적 충전 알고리즘 또는 기법들을 구현하기 위해서 본원에서 설명하는 바와 같이 적응적으로 수정될 수도 있다. 실제로, 일 실시형태에서, 충전 신호의 지속기간은 1 밀리초로부터 수 초까지일 수도 있다. 더욱이, 방전 신호 (일 실시형태에서) 의 지속기간은 1 밀리초로부터 수백 밀리초까지 일 수도 있다.
충전 또는 충전 신호 동안 배터리/셀에 추가된 전기 전하의 양 및 방전 신호 동안 제거된 전하의 양을 수반하는 다수의 치환들이 존재한다. 모든 치환들은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 특히, 각각의 치환은 상이한 완화 주기를 초래할 수도 있다. 더욱이, 각각의 치환 내에는 i) 충전 또는 충전 신호들의 특성들 (예를 들어, 충전 신호의 지속기간, 형상 및/또는 진폭), 셀에 추가된 전기 전하의 양을 결정하는 프로덕트를 결합하고; ii) 방전 신호의 특성들 (예를 들어, 방전 신호의 지속기간, 형상 및/또는 진폭), 셀로부터 제거된 전기 전하의 양을 결정하는 프로덕트를 결합하며; iii) 휴지 주기의 시간 길이를 결합하는 다수의 서브-치환들이 존재한다. 충전 또는 충전 신호들의 특성들은 방전 신호들의 특성들과 상이할 수도 있다. 즉, 충전 신호의 지속기간, 형상 및/또는 진폭 중 하나 이상은 방전 신호의 지속기간, 형상 및/또는 진폭 중 하나 이상과 상이할 수도 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 재충전가능한 배터리/셀, 예를 들어, 리듐-이온 배터리/셀의 SOC 는 배터리/셀에 이용가능한 전기 전하의 레벨을 나타내거나 또는 표시하는 파라미터이다. 이것은 배터리/셀의 공칭 최대 충전율의 백분율로서 간주될 수도 있으며, 여기서, 100% SOC 는 배터리/셀이 완전히 충전되어 있다는 것을 나타내고, 0% SOC 는 배터리/셀이 완전히 방전되어 있다는 것을 표시한다.
특히, 일 실시형태에서, 전류 소스는 (하나 이상의 트랜지스터들을 통해 구현될 수도 있는) 스위치에 의해 게이트되고, 배터리/셀의 단자 전압이 모니터링되어 배터리/셀의 CPV 를 결정한다. 다른 구현에서, 충전 회로의 회로가 채용되어 짧은 충전 또는 방전 펄스를 생성한다. 예를 들어, 랩탑 컴퓨터 또는 스마트폰은 배터리를 충전하는 것을 담당하는 통합된 충전 회로를 포함한다. 본원에 언급된 바와 같이 충전 집적 회로는 예를 들어, I2C 또는 SMBus® 와 같은 통신 버스를 통해서 직접 제어될 수도 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 모니터링 회로는 예를 들어, 하나 이상의 충전 펄스들에 대한 배터리/셀의 응답, 단자 전압들 및 온도를 포함한, 배터리/셀의 특성들을 (간헐적인, 연속적인 및/또는 주기적인 단위로) 모니터링하고, 감지하고, 검출하고/하거나 샘플링한다. 일 실시형태에서, 모니터링 회로는 전압을 결정하는 센서 (예를 들어, 전압계) 및/또는 전류를 결정하는 센서 (예를 들어, 전류 미터) 를 포함한다. (예를 들어, 도 1d 및 도 1e 참조). 일 실시형태에서, 모니터링 회로는 배터리/셀의 단자들에서 전압 및 배터리/셀을 통하는 전류를 결정하기 위해 필요한 전류가 거의 없는 켈빈-형 (Kelvin-type) 측정 구성들을 구현한다. 특히, 모니터링 회로 및 기법들은 배터리의 충전 프로파일을 적응시키도록 제어 회로에 의해 채용된 데이터를 획득하기 위해 본원에 설명된, 현재 알려지거나 추후 개발되는 것들일 수도 있다; 모든 이러한 모니터링 회로 및 기법들은 본 발명들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
또한, 본원에서 언급한 바와 같이, 제어 회로는 모니터링 회로로부터 데이터를 획득하고, 복수의 패킷들의 복수의 충전 펄스들에 응답하는 (충전 펄스에 응답하는) CVP 및/또는 CPV 에서의 변화를 추정하고, 계산하고/하거나 측정하고, 적합한 경우, 충전 회로의 동작을 제어함으로써 충전 프로세스를 적응시킨다. 본 발명들은 배터리/셀을 충전할 뿐만 아니라 충전 프로세스를 적응시키기 위해 현재 알려져 있든 추후 개발되든, 본원에서 설명하는 임의의 제어 회로 및 충전 회로를 채용할 수도 있다.
또한, 본원에서 언급한 바와 같이, 제어 회로는 본원에서 설명하고 도시하는 특정의 방법들, 기법들, 작업들 또는 동작들을 구현하는 하나 이상의 애플리케이션들, 루틴들, 프로그램들 및/또는 데이터 구조들을 수행 또는 실행할 수도 있다. 애플리케이션들, 루틴들 또는 프로그램들의 기능은 결합되거나 또는 분배될 수도 있다. 또한, 애플리케이션들, 루틴들 또는 프로그램들은 예를 들어, 컴파일된 코드든 또는 컴파일되지 않은 코드든, 어셈블리, FORTRAN, C, C++, 및 BASIC 을 포함한, 현재 알려져 있든 또는 추후 개발되든 임의의 프로그래밍 언어를 이용하여, 제어 회로에 의해 구현될 수도 있으며; 이의 모두는 본 발명들이 범위 내에 포함되도록 의도된다.
더욱이, 모니터링 회로 및 제어 회로는 서로 뿐만 아니라, 다른 엘리먼트들과 회로를 공유할 수도 있다. 더욱이, 이러한 회로는 본원에서 설명하는 회로와는 분리되고 다를 수도 있는, 하나 이상의 다른 동작들을 또한 수행할 수도 있는 복수의 집적 회로들 중에 분배될 수도 있다.
특히, 때로는, 용어들, 배터리 및 셀은 전기적으로 충방전될 수도 있는 전기 저장 디바이스를 의미하도록 교환가능하게 채용되었다. 이러한 디바이스는 단일 전기 셀을 포함하고, 또는 더 큰 전기 용량의 배터리를 형성하기 위해 직렬 및/또는 병렬로 전기 접속된 여러 셀들을 포함할 수도 있다. 위에서 설명하는 적응적 충전에 대한 실시형태들이 셀들 또는 배터리들에, 더 큰 배터리 팩에 전기적으로 구성되는 단일 유닛 또는 다수의 유닛들로서 적용된다는 점에 유의해야 한다.
특히, "회로" 는 다른 것들 중에서, 능동 및/또는 수동인, 그리고, 원하는 동작을 제공하거나 수행하기 위해서 함께 커플링되는, 단일 컴포넌트 (예를 들어, 전기/전자) 또는 다양한 컴포넌트들을 (집적 회로 유형으로든, 별개의 유형으로든 또는 이외로든) 의미한다. 또한, "회로" 는, 다른 것들 중에서, 회로 (통합되든 또는 아니든), 이러한 회로들, 하나 이상의 프로세서들, 하나 이상의 상태 머신들, 소프트웨어, 하나 이상의 게이트 어레이들, 프로그래밍가능 게이트 어레이들 및/또는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이들을 구현하는 하나 이상의 프로세서들의 그룹, 또는 하나 이상의 회로들 (통합되든 또는 아니든), 하나 이상의 상태 머신들, 하나 이상의 프로세서들, 소프트웨어, 하나 이상의 게이트 어레이들, 프로그래밍가능 게이트 어레이들 및/또는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이들을 구현하는 하나 이상의 프로세서들의 조합을 의미한다. 용어 "데이터" 는 다른 것들 중에서, 단일 비트 (또는 기타 등등) 또는 다수의 비트들 (또는 기타 등등) 일 수도 있는, 아날로그 형태이든 또는 디지털 형태이든, 전류 또는 전압 신호(들) (복수 또는 단수) 을 의미한다.
또한, 본원에서 설명하는 여러 회로들 및 회로는 컴퓨터 지원 설계 툴들을 이용하여 설명될 수도 있으며, 그들의 행동 (behavioral), 레지스터 전송, 로직 컴포넌트, 트랜지스터, 레이아웃 기하학들 (geometries), 및/또는 다른 특성들에 관하여, 여러 컴퓨터-판독가능 매체들에 내장된 데이터 및/또는 명령들로서 표현될 수도 있다 (또는 나타낼 수도 있다) 점에 유의해야 한다. 이러한 회로 표현들이 구현될 수도 있는 파일들 및 다른 오브젝트들의 포맷들은 C, Verilog, 및 HDL 과 같은, 행동 언어들 (behavioral languages) 을 지원하는 포맷들, RTL 과 같은 레지스터 레벨 기술 언어들을 지원하는 포맷들, 및 GDSII, GDSIII, GDSIV, CIF, MEBES 과 같은 기하학 기술 언어들을 지원하는 포맷들, 및 임의의 다른 적합한 포맷들 및 언어들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이러한 포맷된 데이터 및/또는 명령들이 내장될 수도 있는 컴퓨터-판독가능 매체들은 여러 유형들의 비휘발성 저장 매체들 (예컨대, 광학, 자기 또는 반도체 저장 매체들) 및 이러한 포맷된 데이터 및/또는 명령들을 무선, 광, 또는 유선 시그널링 매체들 또는 이들의 임의의 조합을 통해서 전송하는데 이용될 수도 있는 반송파들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 반송파들에 의한 이러한 포맷된 데이터 및/또는 명령들의 전송의 예들은 인터넷 및/또는 다른 컴퓨터 네트워크들을 경유하여 하나 이상의 데이터 전송 프로토콜들 (예컨대, HTTP, FTP, SMTP, 등) 을 통해서 전송하는 것 (업로드하고, 다운로드하고, e-메일을 보내는 등) 을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
실제로, 컴퓨터 시스템 내에서 하나 이상의 컴퓨터-판독가능 매체들을 통해서 수신될 때, 위에서 설명한 회로들의 이러한 데이터 및/또는 명령-기반의 표현들은 이러한 회로들의 물리적인 표명 (manifestation) 의 표현 또는 이미지를 생성하기 위해서, 넷-리스트 (net-list) 생성 프로그램들, 위치선정 및 경로탐색 프로그램들 및 기타 등등을 한정함이 없이 포함한 하나 이상의 다른 컴퓨터 프로그램들의 실행과 함께, 컴퓨터 시스템 내 프로세싱 엔터티 (예컨대, 하나 이상의 프로세서들) 에 의해 프로세싱될 수도 있다. 그 후, 이러한 표현 또는 이미지는 예를 들어, 제조 프로세스에서 회로들의 여러 컴포넌트들을 형성하는데 이용되는 하나 이상의 마스크들의 생성을 가능하게 함으로써, 디바이스 제조에 이용될 수도 있다.
더욱이, 본원에서 설명하는, 여러 회로들 및 회로 뿐만 아니라, 기법들은 시뮬레이션들을 통해 컴퓨터 지원 설계 및/또는 테스팅 툴들을 이용하여 나타내어질 수도 있다. 충전 회로, 제어 회로 및/또는 모니터링 회로, 및/또는 이에 의해 구현되는 기법들의 시뮬레이션은 컴퓨터 시스템에 의해 구현될 수도 있으며, 여기서, 이러한 회로, 및 이에 의해 구현되는 기법들의 특성들 및 동작들은 컴퓨터 시스템을 통해서 모방, 복사 및/또는 예측될 수도 있다. 또한, 본 발명들은 독창적인 충전 회로, 제어 회로 및/또는 모니터링 회로, 및/또는 이에 의해 구현되는 기법들의 이러한 시뮬레이션들에 관한 것이고, 이와 같이, 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 또한, 이러한 시뮬레이션들 및/또는 테스팅 툴들에 대응하는 컴퓨터-판독가능 매체들도 본 발명들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
청구항들에서, 배터리의 충전 펄스 전압 (CPV) 는 충전 펄스에 응답하는 배터리/셀의 단자들에서 측정된 피크 또는 실질적인 피크를 의미한다. 또한, 용어 "배터리" 는 직렬 및/또는 병렬 구성에서 전기적으로 배열된 복수의 셀들 및/또는 (에너지를 저장하는) 개별적인 셀을 의미한다. 또한, 용어 "제 1", "제 2" 등은 본원에서 임의의 순서, 양, 또는 중요도를 나타내지 않고 차라리 일 엘리먼트를 다른 것과 구별하기 위해 사용된다. 더욱이, 용어들 "a" 및 "an" 은 본원에서 양의 제한을 나타내지 않고 차라리 참조된 아이템 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다.

Claims (20)

  1. 배터리를 적응적으로 충전하는 방법으로서,
    상기 배터리는 적어도 2 개의 단자들을 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 배터리의 상기 단자들에 충전 신호를 인가하는 단계로서, 상기 충전 신호는 복수의 충전 패킷들을 포함하고, 제 1 충전 패킷은 제 1 충전 펄스를 포함하는, 상기 충전 신호를 인가하는 단계;
    상기 제 1 충전 펄스에 응답하는 복수의 단자 전압들을 측정하는 단계로서, 각각의 단자 전압은 상기 배터리의 상기 단자들 간의 전압인, 상기 복수의 단자 전압들을 측정하는 단계;
    상기 배터리의 제 1 충전 펄스 전압 (charge pulse voltage; CPV) 을 결정하는 단계로서, 상기 제 1 충전 펄스 전압은 상기 제 1 충전 펄스에 응답하는 피크 전압인, 상기 제 1 CPV 를 결정하는 단계;
    상기 배터리의 상기 제 1 CPV 가 미리결정된 범위 내에 있는지 또는 미리결정된 상한 값보다 큰지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 제 1 CPV 가 상기 미리결정된 범위 밖에 있거나 미리결정된 상한 값보다 큰 경우 상기 제 1 충전 패킷을 시간적으로 뒤따르는 상기 충전 신호의 제 2 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계로서, 상기 미리결정된 범위 및/또는 상기 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 충전 상태에서의 변화들에 따라 상기 배터리의 충전 동안 변하는, 상기 충전 신호의 제 2 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리결정된 범위 및/또는 상기 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 잔존수명 상태에서의 변화들에 따라 변하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계는 상기 제 2 충전 패킷의 적어도 충전 펄스의 진폭을 변화시키는 단계를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계는 상기 배터리의 상기 제 1 CPV 의 양을 나타내는 데이터를 이용하여 상기 제 2 충전 패킷의 적어도 충전 펄스의 진폭을 변화시키는 단계를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계는 상기 제 2 충전 패킷의 적어도 충전 펄스의 지속기간을 변화시키는 단계를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 상기 제 1 CPV 가 미리결정된 하한 값 미만인지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 배터리의 상기 제 1 CPV 가 미리결정된 하한 값 미만인 경우 상기 제 2 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계를 더 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 충전 패킷은 상기 제 1 충전 패킷을 시간적으로 바로 뒤따르는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 1 충전 상태에 대응하는 미리결정된 범위 및/또는 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 제 2 충전 상태에 대응하는 미리결정된 범위 및/또는 미리결정된 상한 값보다 크고,
    상기 배터리의 상기 제 1 충전 상태는 상기 배터리의 상기 제 2 충전 상태보다 작은, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  9. 배터리를 적응적으로 충전하는 방법으로서,
    상기 배터리는 적어도 2 개의 단자들을 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 배터리의 상기 단자들에 충전 신호를 인가하는 단계로서, 상기 충전 신호는 복수의 충전 패킷들을 포함하고, 제 1 충전 패킷은 제 1 충전 펄스를 포함하고 제 2 충전 패킷은 제 2 충전 펄스를 포함하는, 상기 충전 신호를 인가하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 충전 펄스에 응답하는 복수의 단자 전압들을 측정하는 단계로서, 각각의 단자 전압은 상기 배터리의 상기 단자들 간의 전압인, 상기 복수의 단자 전압들을 측정하는 단계;
    상기 배터리의 제 1 충전 펄스 전압 (제 1 CPV) 을 결정하는 단계로서, 상기 제 1 CPV 는 상기 제 1 충전 펄스에 응답하는 피크 전압인, 상기 제 1 CPV 를 결정하는 단계;
    상기 배터리의 제 2 충전 펄스 전압 (제 2 CPV) 을 결정하는 단계로서, 상기 제 2 CPV 는 상기 제 2 충전 펄스에 응답하는 피크 전압인, 상기 제 2 CPV 를 결정하는 단계;
    상기 제 1 CPV 와 상기 제 2 CPV 간의 변화를 결정하는 단계; 및
    상기 제 1 CPV 와 상기 제 2 CPV 간의 변화가 미리결정된 범위 밖에 있거나 미리결정된 상한 값보다 큰 경우 제 3 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 미리결정된 범위 및/또는 상기 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 충전 상태 또는 상기 배터리의 잔존수명 상태에서의 변화들에 따라 상기 배터리의 충전 동안 변하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 충전 패킷은 제 3 충전 펄스를 포함하고,
    상기 제 3 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계는 상기 제 3 충전 펄스의 진폭을 변화시키는 단계를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 충전 패킷은 제 3 충전 펄스를 포함하고,
    상기 제 3 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키는 단계는 상기 제 3 충전 펄스의 지속기간을 변화시키는 단계를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 충전 패킷들은 상기 복수의 충전 패킷들의 순차적인 충전 패킷들인, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 충전 패킷들은 상기 복수의 충전 패킷들의 비-순차적인 충전 패킷들인, 배터리를 적응적으로 충전하는 방법.
  15. 배터리를 적응적으로 충전하기 위한 장치로서,
    상기 배터리는 적어도 2 개의 단자들을 포함하고,
    상기 장치는,
    제어 신호들에 응답하여 상기 배터리의 상기 단자들에 인가되는 충전 신호를 생성하는 충전 회로로서, 상기 충전 신호는 복수의 충전 패킷들을 포함하고, 제 1 충전 패킷은 제 1 충전 펄스를 포함하는, 상기 충전 회로;
    상기 배터리에 커플링되어, 상기 배터리의 상기 단자들에서 상기 제 1 충전 펄스에 응답하는 복수의 전압들을 측정하는 측정 회로; 및
    상기 충전 회로 및 상기 측정 회로에 커플링된 제어 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    상기 배터리의, 상기 제 1 충전 펄스에 응답하는 피크 전압인 제 1 충전 펄스 전압 (CPV) 을 결정하고;
    상기 배터리의 상기 제 1 CPV 가 제 1 미리결정된 범위 내에 있는지 또는 제 1 미리결정된 상한 값 보다 큰지 여부를 결정하며;
    상기 제 1 CPV 가 상기 제 1 미리결정된 범위 밖에 있거나 상기 제 1 미리결정된 상한 값 보다 큰 경우 상기 하나 이상의 제어 신호들을 생성하여 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키도록 구성되는, 배터리를 적응적으로 충전하기 위한 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제 1 충전 펄스와 연관된 상기 제 1 충전 펄스 전압 (CPV) 을 결정하기 위한 피크 전압 검출기 회로를 포함하는, 배터리를 적응적으로 충전하기 위한 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 미리결정된 범위 및 상기 제 1 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 충전 상태에서의 변화들에 따라 상기 배터리의 충전 동안 변하고,
    상기 제 1 미리결정된 범위 및 상기 제 1 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 제 1 SOC (state of charge) 에 대응하는, 배터리를 적응적으로 충전하기 위한 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 신호들에 응답하여, 상기 충전 회로는 상기 복수의 충전 패킷들의 제 2 충전 패킷의 적어도 제 2 충전 펄스의 진폭을 변화시키고,
    상기 제 1 충전 패킷은 상기 제 2 충전 패킷을 시간적으로 선행하는, 배터리를 적응적으로 충전하기 위한 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한,
    상기 배터리의, 제 3 충전 펄스에 응답하는 피크 전압인 제 3 충전 펄스 전압 (제 3 CPV) 을 결정하고;
    상기 배터리의 상기 제 3 CPV 가 제 2 미리결정된 범위 내에 있거나 제 2 미리결정된 상한 값보다 큰지 여부를 결정하며;
    상기 제 3 CPV 가 상기 제 2 미리결정된 범위를 초과하거나 상기 제 2 미리결정된 상한 값보다 큰 경우 하나 이상의 추가의 제어 신호들을 생성하여 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 또한 적응시키도록 구성되고,
    상기 제 1 미리결정된 범위 및 상기 제 1 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 제 1 SOC 에 대응하고, 상기 제 2 미리결정된 범위 및 상기 제 2 미리결정된 상한 값은 상기 배터리의 제 2 SOC 에 대응하고 상기 배터리의 상기 제 2 SOC 는 상기 배터리의 상기 제 1 SOC 보다 큰, 배터리를 적응적으로 충전하기 위한 장치.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한,
    상기 배터리의 상기 제 1 CPV 가 미리결정된 하한 값 미만인지 여부를 결정하며;
    상기 제 1 CPV 가 미리결정된 하한 값 미만인 경우 상기 하나 이상의 제어 신호들을 생성하여 충전 패킷의 하나 이상의 특성들을 적응시키도록 구성되는, 배터리를 적응적으로 충전하기 위한 장치.
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