KR102255491B1 - 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리의 SOC를 연산하도록 구성된 SOC 연산부; 상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하도록 구성된 제1 충전부; 상기 배터리에 대한 펄스 충전을 수행하도록 구성된 제2 충전부; 상기 배터리에 대한 정전압 충전을 수행하도록 구성된 제3 충전부; 및 상기 배터리의 SOC를 기초로, 상기 제1 내지 3 충전부 중 어느 하나를 활성화시키도록 구성된 제어부;를 포함한다.

Description

배터리 충전 장치 및 방법{Apparatus and method for charging battery}

본 발명은 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 리튬 이온 배터리의 SOC의 변화에 따라 충전 방식을 순차적으로 전환하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이온 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

일반적으로, 배터리에 대한 충전은 정전류와 정전압을 적절히 조합한 이른바 CC-CV 방식으로 이루어진다. CC-CV 방식으로 배터리를 충전하는 종래 기술로서 한국 등록특허공보 제10-1387429호(이하, '특허 문헌 1'이라고 칭함)가 개시된 바 있다. 도 1은 특허 문헌 1에 개시된 CC-CV 방식에 따른 충전 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1에 도시된 그래프에 있어서 가로축은 배터리의 충전 용량을 나타내고, 세로축은 배터리의 단자 전압과 충전 전류를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 배터리의 단자 전압이 목표 전압에 도달하기 전까지의 구간(P1)에서는 정전류 충전이 이루어지고, 이후의 구간에서는 정전압 충전이 이루어진다. 정전류 충전이 이루어지는 구간(P1)에서, 배터리의 양극의 전위는 높아지고 음극의 전위는 낮아진다. 도 1의 구간(P1) 동안에 큰 전류로 정전류 충전을 수행하는 경우, 배터리가 완전히 충전되는 데에 소요되는 시간을 어느 정도 단축할 수는 있으나, 그 만큼 배터리의 발열이 심해진다. 배터리의 발열이 심해질수록, 배터리의 충전 효율은 낮아짐은 물론 장기적인 관점에서 배터리의 퇴화를 가속화할 수 있다.

하지만, 특허 문헌 1을 비롯한 종래 기술은 충전 진행에 따른 배터리의 발열을 저감할 수 있는 기술에 대하여 충분히 시사하고 있지 않다.

전술한 리튬 이온 배터리는 크게 양극재, 음극재 및 전해질의 3가지로 나눌 수 있는데, 충전 과정에서 리튬 이온은 양극재에서 음극재로 이동한다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극재는 흑연재으로서, 흑연이 음극재로 이용되는 경우, 복수개의 그래핀 층(graphene layer)들이 층상 구조를 이루게 된다. 도 2는 리튬 이온 배터리의 충방전에 따라 음극재에서 일어나는 스테이지 변화 현상를 보여준다. 도 2를 참조하면, 스테이지-N(여기서, N은 1, 2, 3, 4 중 어느 하나)에서, 서로 인접한 N개 그래핀 층이 2개의 리튬 층(Li layer)에 의해 샌드위치된다. 리튬 층(Li layer)은 수많은 리튬 이온으로 이루어진다. 예컨대, 스테이지-2에서, 2개의 인접한 그래핀 층이 2개의 리튬 층 사이에 위치하게 된다. 리튬 이온 배터리의 충전 과정에서, 음극재의 흑연은 스테이지-4부터 스테이지-1의 순서로 전환된다. 반대로, 리튬 이온 배터리의 방전 과정에서, 음극재의 흑연은 스테이지-1부터 스테이지-4의 순서로 전환된다.

본 발명의 발명자들은 음극재의 흑연이 어느 한 스테이지에서 다른 스테이지로 전환되는 과정에서, 배터리의 내부 저항이 증가 또는 감소하게 된다는 사실을 실험을 통해 알게 되었다. 특히, 스테이지-2로부터 스테이지-1로의 전환 과정에서 리튬 이온 배터리의 발열이 가장 심해진다는 실험 결과를 도출하였다.

충전 과정에서, 양극재로부터 나온 리튬 이온이 음극재의 그래핀 층들 사이에 삽입되기 위해서는 적절한 시간이 필요한데, 빠른 충전을 위해 고전류를 계속적으로 배터리에 공급하는 경우, 리튬 이온들 중 일부가 그래핀 층들 사이에 삽입되지 못하고 음극재의 표면에 쌓이게 되는 석출 현상이 일어난다. 이에, 배터리의 스테이지 변화 현상과 연관된 SOC의 변화에 따라 배터리에 대한 충전 과정 중에 충전 방식을 적절히 전환할 필요가 있다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 충전의 진행에 따른 배터리의 SOC 변화 및 온도 변화를 기초로, 배터리에 대한 충전 방식을 순차적으로 전환하도록 구성된 배터리 충전 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리의 SOC를 연산하도록 구성된 SOC 연산부; 상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하도록 구성된 제1 충전부; 상기 배터리에 대한 펄스 충전을 수행하도록 구성된 제2 충전부; 상기 배터리에 대한 정전압 충전을 수행하도록 구성된 제3 충전부; 및 상기 배터리의 SOC를 기초로, 상기 제1 내지 3 충전부 중 어느 하나를 활성화시키도록 구성된 제어부;를 포함한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 미만인 경우, 상기 제1 충전부를 활성화시키고, 제1 충전 전류로 상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하도록 상기 활성화된 제1 충전부를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 이상이고 상기 제1 SOC보다 큰 제2 SOC 미만인 경우, 상기 제2 충전부를 활성화시키고, 소정의 듀티사이클을 가지는 제2 충전 전류로 상기 배터리에 대한 펄스 충전을 수행하도록 상기 활성화된 제2 충전부를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제1 충전 전류의 크기와 상기 제2 충전 전류의 피크치는 서로 동일하고, 상기 듀티사이클은 1/3일 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 이상이고 상기 제1 SOC보다 큰 제2 SOC 미만인 경우, 제3 충전 전류, 제4 충전 전류 및 제5 충전 전류 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 충전 전류로 상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하도록 상기 활성화된 제1 충전부를 제어하되, 상기 제1 충전 전류는 상기 제3 충전 전류보다 크고, 상기 제3 충전 전류는 상기 제4 충전 전류보다 크며, 상기 제4 충전 전류는 상기 제5 충전 전류보다 클 수 있다.

또한, 상기 제1 충전 전류에 대응하는 충전율은 6C이고, 상기 제3 충전 전류에 대응하는 충전율은 3C이며, 상기 제4 충전 전류에 대응하는 충전율은 2C이고, 상기 제5 충전 전류에 대응하는 충전율은 1C일 수 있다.

또한, 상기 배터리의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 기준값 미만이면서 상기 배터리의 온도가 설정 온도 미만 경우, 상기 기준값을 상기 제1 SOC로 설정할 수 있다. 또는, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준값 미만이면서 상기 배터리의 온도가 상기 설정 온도 이상인 경우, 상기 기준값과 상기 배터리의 SOC 간의 차이에 대응하는 보상값을 연산하고, 상기 기준값에서 상기 보상값을 뺀 값을 상기 제1 SOC로 설정할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 상기 제2 SOC 이상인 경우, 상기 제3 충전부를 활성화시키고, 상기 배터리가 완전히 충전될 때까지, 미리 정해진 설정 전압으로 상기 배터리에 대한 정전압 충전을 수행하도록 상기 활성화된 제3 충전부를 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 전술한 배터리 충전 장치;를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 충전 방법은, (a)배터리의 SOC를 연산하는 단계; (b)상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 미만 경우, 제1 충전 전류로 상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하는 단계; (c)상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 이상이고 상기 제1 SOC보다 큰 제2 SOC 미만인 경우, 펄스 충전 방식 및 스텝 충전 방식 중 어느 하나를 선택하는 단계; (d)상기 배터리의 SOC가 상기 제2 SOC에 도달할 때까지, 상기 선택된 방식으로 상기 배터리에 대한 충전을 수행하는 단계; 및 (e)상기 배터리의 SOC가 상기 제2 SOC 이상인 경우, 설정 전압으로 상기 배터리에 대한 정전압 충전을 수행하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 (b) 단계 전에, (f)상기 배터리의 온도를 측정하는 단계; 및 (g)상기 배터리의 SOC가 기준값 미만이면서 상기 배터리의 온도가 설정 온도 미만 경우, 상기 기준값을 상기 제1 SOC로 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계 전에, (h)상기 배터리의 SOC가 상기 기준값 미만이면서 상기 배터리의 온도가 상기 설정 온도 이상인 경우, 상기 기준값과 상기 배터리의 SOC 간의 차이에 대응하는 보상값을 연산하는 단계; 및 (i)상기 기준값에서 상기 보상값을 뺀 값을 상기 제1 SOC로 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 충전의 진행에 따른 배터리의 SOC 변화 및 온도 변화를 기초로, 배터리에 대한 충전 방식을 순차적으로 전환할 수 있다. 특히, 정전류 충전, 펄스 충전 및 정전압 충전과 같은 다양한 충전 방식들이 적절한 시점에 상호 전환될 수 있도록 제어함으로써, 배터리의 발열을 완화함은 물론 리튬 이온의 석출 현상 등으로 인한 배터리의 퇴화 속도를 늦출 수 있다.

또한, 펄스 형태의 충전 전류를 이용하여 배터리를 충전하는 경우, 배터리의 온도와 SOC를 기초로, 펄스 형태의 충전 전류의 듀티 사이클이나 피치크를 조절함으로써, 배터리의 발열을 최대한 억제하면서도 충전에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 CC-CV 방식에 따른 충전 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 리튬 이온 배터리의 충방전에 따라 음극재에서 일어나는 스테이지 변화 현상를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.
도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 배터리 충전 장치가 배터리를 충전하는 방법을 보여주는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 대해 설명하도록 한다. 아래에서 사용되는 '배터리'라는 용어는, 음극재로 흑연을 사용하는 리튬 이온 배터리를 의미하는 것임을 미리 밝혀둔다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3에 있어서, 데이터의 송신 또는 수신을 위한 통신 라인들은 점선으로 표시하고, 충전을 위한 전력 라인은 실선으로 표시하였다.

도 3을 참조하면, 배터리 충전 장치(100)는 센싱부(110), SOC 연산부(120), AC-DC 변환기(131), DC-DC 변환기(132), 충전 회로(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다. 이러한 배터리 충전 장치(100)는 배터리(10)와 함께 배터리 팩(1)을 구현할 수도 있다.

센싱부(110)는 배터리(10)의 전류, 전압 및 온도 중 적어도 하나를 측정하도록 구성된다. 이러한 센싱부(110)는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 구체적으로, 센싱부(110)는 배터리(10)에 공급되는 충전 전류를 측정하는 전류 센서, 배터리(10)의 양극과 음극 사이의 단자 전압을 측정하는 전압 센서, 배터리(10)의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함할 수 있다.

전류 센서는 배터리(10)의 충전 과정이 진행되는 동안, 배터리(10)의 충방 전류를 측정할 수 있다. 또한, 전류 센서는 배터리(10)의 충방전 전류를 기초로, 충방전율(current rate)을 측정할 수 있다. C-rate이라고 칭하기도 하는 충방전율은, 방전 전류 또는 충전 전류를 단위를 뺀 설계 용량(Design Capacity)의 값으로 나눈 값으로 표현되며, 이러한 충방전율의 단위는 C이다. 이때, 설계 용량은 배터리(10)의 제조 시에 미리 정해지는 값일 수 있다.

예를 들어, 배터리(10)의 만충전 용량이 1000mAh(Apere-hour)인 경우, 충전 전류가 100mA이면 충방전율은 0.1C이고, 충전 전류가 1000mA이면 충방전율은 1C이며, 충전 전류가 5000mA이면 충방전율은 5C로 측정될 수 있다.

센싱부(110)는 배터리(10)의 전류, 전압 및 온도를 소정 주기마다 반복적으로 측정할 수 있는데, 전류, 전압 및 온도 중 어느 하나에 대한 측정 주기는 나머지에 대한 측정 주기와 동일 또는 상이할 수 있다.

SOC 연산부(120)는 배터리(10)의 SOC(State Of Charge)를 연산하도록 구성된다. 구체적으로, SOC 연산부(120)는 배터리(10)에 대한 충전 과정이 진행되는 중, 센싱부(110)로부터 제공되는 데이터를 기초로, 배터리(10)의 SOC를 연산할 수 있다.

배터리(10)의 SOC란, 배터리(10)의 충전 상태를 나타내는 정보로서, 사용자가 배터리(10)를 앞으로 어느 정도의 시간만큼 사용 가능한지 가늠하는 척도가 되며, 일반적으로 만충전 용량(Full Charge Capacity)에 대한 잔존 용량(Remain Capacity)의 백분율로 표현될 수 있다. 이때, 만충전 용량은 배터리(10)가 실제로 수용할 수 있는 최대의 전하량을 나타내는 것으로서, 배터리(10)의 충방전 횟수가 증가함에 따라 점차적으로 낮아진다는 점에서, 고정된 값의 설계 용량과는 구별되는 것이다. 잔존 용량은 배터리(10)이 제조 후 특정 시점에 배터리(10)에 남아있는 전하량일 수 있다.

예컨대, 배터리(10)가 완전히 방전된 경우의 SOC는 0%이고, 배터리(10)가 완전히 충전된 경우의 SOC는 100%이다. 배터리(10)의 SOC는 다양한 방식으로 연산될 수 있는데, 대표적인 방식은 전류 적산법을 이용하여 SOC를 추정하는 방식이다. 이러한 전류 적산 방식은, 배터리(10)의 충전 전류와 방전 전류를 시간에 대해 적산하고, 초기 용량에서 가감함으로써 SOC를 연산하게 된다. 다만, 배터리(10)의 SOC를 연산하는 방식이 전류 적산 방식에 한정되는 것은 아니며, 확장 칼만 필터와 같은 기타 공지의 방식을 이용할 수도 있다.

AC-DC 변환기(131)는 AC 전원으로부터 인가되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 출력한다. 이때, AC-DC 변환기(131)는 AC 전압에 포함된 노이즈를 필터링할 수 있다.

DC-DC 변환기(132)는 AC-DC 변환기(131)로부터 공급되는 DC 전압을 배터리(10)의 충전에 요구되는 DC 전압으로 변환하여 출력한다. 바꾸어 말하면, DC-DC 변환기(132)는 AC-DC 변환기(131)로부터 공급되는 DC 전압을 승압 또는 강압하여 출력한다. 이때, DC-DC 변환기(132)에 의해 승압 또는 강압되는 전압의 크기는 후술할 제어부(150)에 의해 결정될 수 있다.

충전 회로(140)는 제1 충전부(141), 제2 충전부(142) 및 제3 충전부(143)를 포함할 수 있다. 충전 회로(140)는 후술할 제어부(150)로부터 전송되는 신호에 응답하여, 제1 충전부(141), 제2 충전부(142) 및 제3 충전부(143) 중 어느 하나를 선택적으로 활성화시킬 수 있다.

제1 충전부(141)는 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 충전부(141)는 배터리(10)와 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 적어도 하나의 정전류 회로를 포함하고, DC-DC 변환기(132)로부터 출력되는 DC 전압은 정전류 회로에 공급된다. 정전류 회로는 공급된 DC 전압을 이용하여 일정한 크기의 충전 전류를 출력한다. 제1 충전부(141)는 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 충전 전류들을 단계적으로 출력할 수 있다.

제2 충전부(142)는 배터리(10)에 대한 펄스 충전을 수행하도록 구성된다. 구체적으로, 제2 충전부(142)는 배터리(10)와 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 적어도 하나의 펄스 회로를 포함하고, DC-DC 변환기(132)로부터 출력되는 DC 전압은 펄스 회로에 공급된다. 펄스 회로는 공급된 DC 전압을 이용하여 펄스 형태의 충전 전류를 출력한다. 제2 충전부(142)는 후술할 제어부(150)로부터 제공되는 명령에 따라, PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 이용하여 펄스 회로에 의해 출력되는 충전 전류의 듀티 사이클(duty cycle)을 조절할 수 있다. 여기서, 듀티 사이클은 단일 주기에 대한 충전 전류가 흐른 시간의 비율이다.

제3 충전부(143)는 배터리(10)에 대한 정전압 충전을 수행하도록 구성된다. 구체적으로, 제3 충전부(143)는 배터리(10)와 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 적어도 하나의 정전압 회로를 포함하고, DC-DC 변환기(132)로부터 출력되는 DC 전압은 정전압 회로에 공급된다. 정전압 회로는 공급된 DC 전압을 이용하여 일정한 크기의 설정 전압(Vs)을 출력한다.

제어부(150)는 배터리 충전 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 구체적으로, 제어부(150)는 센싱부(110), SOC 연산부(120) 및 충전 회로(140)와 통신 가능하도록 연결되어, 이들 각각의 동작을 제어할 수 있다. 특히, 제어부(150)는 제1 충전부(141), 제2 충전부(142) 및 제3 충전부(143) 중 어느 하나를 활성화시킬 수 있다. 제1 충전부(141), 제2 충전부(142) 및 제3 충전부(143) 중 어느 하나가 활성화된 경우, 나머지 두 개의 충전부는 비활성화될 수 있다.

바람직하게는, 제어부(150)는 배터리(10)의 SOC를 기초로, 제1 충전부(141), 제2 충전부(142) 및 제3 충전부(143) 중 어느 하나만을 선택하고, 선택된 충전부만을 활성화시킬 수 있다. 활성화된 충전부는 자신의 방식으로 배터리(10)에 대한 충전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)에 의해 제1 충전부(141)가 활성화된 것으로 가정할 때, 제1 충전부(141)는 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행하고, 제2 충전부(142) 및 제3 충전부(143)는 비활성화된 상태로 유지될 수 있다. 이후, 제어부(150)가 제2 충전부(142)를 활성화시키는 경우, 제1 충전부(141)는 비활성화 상태로 전환되고, 제2 충전부(142)는 배터리(10)에 대한 펄스 충전을 수행하며, 제3 충전부(143)는 비활성화 상태를 그대로 유지할 있다. 또한, 제어부(150)는 활성화된 충전부에 의해 배터리(10)로 출력되는 충전 전류의 크기나 듀티 사이클을 조절하기 위한 명령을 생성할 수 있다.

전술한 제어부(150)는 하드웨어적으로, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

제어부(150)는 메모리(151)를 포함할 수 있다. 메모리(151)는 배터리 충전 장치(100)의 전반적인 동작에 요구되는 각종 데이터들 및 명령어를 저장할 수 있다. 제어부(150)는 메모리(151)에 저장된 데이터들 및 명령어를 참조하여, 제1 충전부(141), 제2 충전부(142) 또는 제3 충전부(143)를 활성화시키기 위한 신호(예, 웨이크업 신호)를 출력할 수 있다.

이러한 메모리(151)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.

한편, 도 3에는 구성요소들 중 어느 하나가 적어도 하나의 연결 라인(즉, 통신 라인 또는 전력 라인)을 통해 다른 하나와 연결되는 것으로 도시되어 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 배터리 충전 장치(100)의 구성요소들 간의 실제적인 구현은, 도 3에 도시된 연결 라인에 의해 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다.

또한, 배터리 충전 장치(100)는 위에서 열거된 구성요소들 보다 적은 구성요소들을 가지거나, 위에서 열거되지 않은 추가적인 구성요소를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 이하에서는, 충전 과정은 배터리(10)의 SOC가 0%일 때부터 100%까지 수행되는 것으로 가정한다.

한편, 제어부(150)는 후술할 제2 구간(R1-2)에서 이용할 충전 방식으로 펄스 충전 방식 및 스텝 충전 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 도 4 내지 6에서는 펄스 충전 방식에 선택된 경우에 대하여 설명하고, 도 7에서는 스텝 충전 방식이 선택된 경우에 대하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.

도 4의 상단에 도시된 그래프에서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 전류를 나타낸다. 또한, 도 4의 하단에 도시된 그래프에서, 가로축은 SOC를 나타내고, 세로축은 전압과 온도를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 전체적인 충전 과정은 제1 구간(R1-1), 제2 구간(R1-2) 및 제3 구간(R1-3)으로 나누어질 수 있다. 구체적으로, 제1 구간(R1-1)과 제2 구간(R1-2)은 제1 SOC(S1)를 경계로 구분되고, 제2 구간(R1-2)과 제3 구간(R1-3)은 제2 SOC(S2)를 경계로 구분되는 것으로서, 도시된 바와 같이 제2 SOC(S2)는 제1 SOC(S1)보다 큰 값이다.

제어부(150)는 미리 정해진 제1 기준값(K1)과 제2 기준값(K2)을 기초로, 배터리(10)에 대한 충전 과정이 개시될때마다 제1 SOC(S1) 및 제2 SOC(S2)를 각각 설정할 수 있다. 제1 기준값(K1)과 제2 기준값(K2)은, 사전 실험을 통해 배터리(10)의 외부 환경을 일정하게 유지한 상태에서 충전을 진행할 때에 나타나는 배터리(10)의 SOC와 온도 간의 상관 관계를 기초로, 설계자에 의해 미리 정해지는 것일 수 있다.

바람직하게는, 제어부(150)는 제1 충전부(141)가 활성화되어 제1 충전 전류(I1)가 출력되고 있는 적어도 한 시점에 측정된 배터리(10)의 온도가 미리 정해진 설정 온도(Ts)와 같거나 더 작은 경우, 제1 기준값(K1)을 제1 SOC(S1)로 설정하고 제2 기준값(K2)을 제2 SOC(S2)로 설정할 수 있다.

이때, 설정 온도(Ts)는 고정된 값일 수 있다. 이러한 설정 온도(Ts)는 배터리(10)의 발열이 심각한 상태인지를 판정하기 위한 기준이 되는 값으로서, 사전 실험을 통해 미리 정해질 수 있다.

제1 내지 제3 구간(R1-1, R1-2, R1-3) 중 어느 한 구간에서의 충전 방식은 다른 구간에서의 충전 방식과는 상이하다. 다시 말해, 제어부(150)는 어느 한 구간의 종료 시, 종료된 구간에서의 충전 방식을 종료하고, 새로운 충전 방식을 개시할 수 있다.

상세히는, 제1 구간(R1-1)에서, 제어부(150)는 제1 충전부(141)를 활성화시킨다. 제1 구간(R1-1)은 충전 과정이 개시된 때, 즉 배터리(10)의 SOC가 0%인 때부터 배터리(10)의 SOC가 제1 기준값(K1)에 도달할 때까지의 구간이다. 배터리(10)의 SOC가 제1 기준값(K1)에 도달한 시점은 제1 시점(t1)이다.

제1 구간(R1-1)에서, 제1 충전부(141)는 일정한 크기로 유지되는 제1 충전 전류(I1)로 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행한다. 즉, 충전이 개시된 시점부터 제1 시점(t1)까지 제1 충전 전류(I1)가 배터리(10)에 공급된다. 제1 충전 전류(I1)와 같은 일정한 크기의 충전 전류를 정해진 구간 동안 연속적으로 배터리(10)에 공급하는 방식을 '고정 충전 방식'이라고 칭할 수 있다. 예컨대, 제1 충전 전류(I1)는 제1 구간(R1-1) 동안 6C로 일정하게 유지될 수 있다.

제1 충전 전류(I1)에 의해 배터리(10)가 충전됨에 따라 배터리(10)의 SOC는 점차적으로 증가한다. 배터리(10)의 SOC는 SOC 연산부(120)에 의해 주기적으로 또는 제어부(150)로부터 요청될 때마다 측정될 수 있다.

배터리(10)의 SOC가 제1 SOC(S1)에 도달함과 동시에, 제어부(150)는 제1 충전부(141)를 비활성화시키고 제2 충전부(142)를 활성화시켜 제2 구간(R1-2)에 대한 충전 과정을 개시한다.

다시 말해, 제어부(150)는 제1 시점(t1)에서, 제1 충전 전류(I1)의 공급을 중단하고 제2 충전 전류(I2)의 공급을 시작한다.

제2 구간(R1-2)에서, 제2 충전부(142)는 제2 충전 전류(I2)로 배터리(10)에 대한 펄스 충전을 수행한다. 제2 구간(R1-2)은 제1 시점(t1)부터 제2 시점(t2) 사이의 구간으로서, 제2 시점(t2)은 배터리(10)의 SOC가 제2 기준값(K2)에 도달한 때이다.

제2 충전 전류(I2)는 펄스 형태로 출력되는 것으로서, 예컨대 제2 충전 전류(I2)의 피크치는 제1 충전 전류(I1)의 크기와 동일할 수 있다. 물론, 구현예에 따라 제2 충전 전류(I2)의 피크치는 제1 충전 전류(I1)의 크기보다 크거나 작을 수 있다.

제어부(150)는 센싱부(110)로부터 제공되는 데이터를 기초로, 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 결정할 수 있다. 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클은 1/k이고, 이때 k는 1보다 큰 실수이다. 예를 들어, 한 주기의 길이가 3분이고 듀티 사이클이 1/3인 경우, 제2 충전 전류(I2)는 한 주기에 대해 1분 동안 연속적으로 흐른 후 2분 동안은 흐르지 않을 수 있다.

바람직하게는, 제어부(150)는 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도와 설정 온도(Ts)를 비교한 결과를 기초로, 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 결정할 수 있다. 예컨대, 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도가 설정 온도(Ts)보다 낮은 경우, 제어부(150)는 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 미리 정해진 값으로 설정할 수 있다. 예컨대, 도 4의 하단에 도시된 그래프를 통해 확인할 수 있듯이, 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도(T_C1)가 설정 온도(Ts)보다 ΔT1만큼 낮으면, 도 4의 상단에 도시된 그래프와 같이 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클이 ΔT1에 대응하는 값인 1/3로 설정될 수 있다.

제어부(150)는 제2 구간(R1-2)에서 배터리(10)의 온도가 높아질수록 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시킬 수 있다. 또는, 제어부(150)는 제2 구간(R1-2)에서 배터리(10)의 온도 상승 기울기가 가파라질수록 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 배터리(10)의 온도 또는 온도 상승 기울기는, 듀티 사이클과 반비례할 수 있다. 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클이 감소할수록, 배터리(10)의 발열은 억제된다.

한편, 도 4의 하단 그래프에 도시된 굵은 실선은, 제2 구간(R1-2)에서도 제1 충전 전류(I1)로 정전류 충전을 수행하는 경우의 온도 곡선을 나타낸다. 이 경우, 굵은 실선으로 나타낸 전체 구간 중에서 배터리(10)의 온도가 설정 온도(Ts)를 초과하는 구간이 존재한다. 즉, 제2 구간(R1-2)에서도 정전류 충전을 수행하면, 펄스 형태의 제2 충전 전류(I2)로 충전하는 경우보다, 배터리(10)의 온도 상승 기울기가 높아지게 된다.

배터리(10)의 SOC가 제2 SOC(S2)에 도달함과 동시에, 제어부(150)는 제2 충전부(142)를 비활성화시키고 제3 충전부(143)를 활성화시켜 제3 구간(R1-3)에 대한 충전 과정을 개시한다. 다시 말해, 제어부(150)는 제2 시점(t2)에서, 제2 충전 전류(I2)의 공급을 중단하고 정전압 충전을 시작한다.

제3 구간(R1-3)에서, 제3 충전부(143)는 설정 전압(Vs)으로 배터리(10)에 대한 정전압 충전을 수행한다.

제어부(150)는 배터리(10)의 전압이 설정 전압(Vs)에 도달한 후 충전 전류의 크기가 설정 전류(Is)까지 감소하면, 배터리(10)에 대한 충전 과정을 종료할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 제3 구간(R1-3)에서의 측정되는 충전 전류의 크기를 기초로, 배터리(10)에 대한 충전이 완료되었는지 판정할 수 있다. 또는, 제어부(150)는 SOC 연산부(120)에 의해 연산된 SOC가 100%를 지시하는 경우, 배터리(10)에 대한 충전이 완료된 것으로 판정하고, 제3 충전부(143)를 비활성화시킬 수 있다.

한편, 배터리(10)의 사양이 동일하더라도, 배터리(10)의 충전이 이루어지는 실제 환경 등에 따라, 충전 진행에 따른 배터리(10)의 온도 변화 특성이 달라질 수 있다. 예컨대, 배터리(10)에 공급되는 충전 전류가 일정하더라도, 배터리(10)에 대한 충전이 이루어지는 외부의 기온이 높아질수록, 배터리(10)의 온도 상승 기울기가 상대적으로 가파라질 수 있다. 따라서, 배터리(10)의 충전이 이루어지는 실제 환경을 고려하여, 충전 방식들 간의 전환 시점을 적절히 전환시켜 주는 것이 배터리(10)의 발열 억제 또는 급속 충전에 유리하게 작용할 수 있다. 이에 대해, 도 5 및 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.

도 5의 상단에 도시된 그래프에서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 배터리(10)의 전류를 나타낸다. 또한, 도 5의 하단에 도시된 그래프에서, 가로축은 SOC를 나타내고, 세로축은 배터리(10)의 전압과 온도를 나타낸다.

도 4와 도 5를 비교하면, 도 5의 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도(T_C2)가 도 4에서의 온도(T_C1)보다 낮다는 점에서 상이하다. 따라서, 도 4를 참조하여 전술한 설명은, 온도(T_C2)와 관련된 내용 외에는 도 5에 따른 실시예에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.

제어부(150)는 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도(T_C2)와 설정 온도(Ts)를 비교한 결과를 기초로, 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 결정할 수 있음은 전술한 바와 같다.

이때, 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도(T_C2)가 낮을수록, 제어부(150)는 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 증가시킬 수 있다. 즉, 두 온도(Ts, T_C2) 간의 차이가 클수록 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클은 증가될 수 있다. 도 5를 살피면, 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도(T_C2)가 설정 온도(Ts)보다 ΔT2만큼 낮은데, ΔT2는 도 4의 ΔT1보다 큰 값이다.

예를 들어, 도 4의 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도(T_C1)에 따라 설정된 듀티 사이클이 1/3이라면, 도 5의 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도(T_C2)에 따라 설정된 듀티 사이클은 1/3보다 큰 1/2로 설정될 수 있다. 제1 시점(t1)에서 측정된 배터리(10)의 온도가 낮다는 것은 배터리(10)의 발열이 심하지 않은 상태를 의미하는 것이므로, 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클을 증가시킴으로써 배터리(10)의 충전 소요 시간은 단축할 수 있다.

도 4를 참조하여 전술한 내용과 공통되는 제1 구간(R1-1) 및 제3 구간(R1-3)에 대한 충전 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.

도 6의 상단에 도시된 그래프에서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 전류를 나타낸다. 또한, 도 6의 하단에 도시된 그래프에서, 가로축은 SOC를 나타내고, 세로축은 전압과 온도를 나타낸다.

도 6를 참조하면, 전체적인 충전 과정은 제1 구간(R2-1), 제2 구간(R2-2) 및 제3 구간(R2-3)으로 나누어질 수 있다. 구체적으로, 제1 구간(R2-1)과 제2 구간(R2-2)은 제1 SOC(S1')를 경계로 구분되고, 제2 구간(R2-2)과 제3 구간(R2-3)은 제2 SOC(S2)를 경계로 구분되는 것으로서, 도시된 바와 같이 제2 SOC(S2)는 제1 SOC(S1')보다 큰 값이다. 도 6과 관련하여, 도 4의 제3 구간(R1-3)에 대해 전술한 내용과 공통되는 제3 구간(R2-3)에 대한 충전 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 4 및 도 5와 비교할 때, 배터리(10)의 SOC가 제1 기준값(K1)에 도달하기 전의 어느 특정한 값(M)을 가질 때, 배터리(10)의 온도가 설정 온도(Ts)에 도달한다는 점에서 차이가 있다. 이 경우, 제어부(150)는 제1 기준값(K1)과 동일한 값을 제1 SOC(S1')로 설정하는 대신, 제1 기준값(K1)을 적절히 감소시킨 값을 제1 SOC(S1')로 설정할 수 있다.

바람직하게는, 어느 한 충전 과정이 진행되는 중에, 배터리(10)의 온도가 설정 온도(Ts) 이상의 값을 가지게 되는 최초의 시점에 배터리(10)의 SOC가 제1 기준값(K1) 미만의 값(M)이면, 제어부(150)는 제1 기준값(K1)과 배터리(10)의 SOC(M) 간의 차이(ΔD)에 대응하는 보상값(W)을 연산할 수 있다. 여기서, ΔD = K1 - M이고, W = ΔD × Q1일 수 있다. Q1는 1 이하의 양수로서, 구현예에 따라 적절히 선택 및 변경 가능할 수 있다. 보상값(W)의 연산이 완료되면, 제어부(150)는 제1 기준값(K1)에서 보상값(W)을 뺀 값(S1')을 제1 SOC로 설정할 수 있다. 즉, S1' = K1 - W이다.

도 4와 비교할 때, 제1 기준값(K1)을 기준으로 보상값(W)만큼 좌측으로 시프트된 위치에 제1 SOC(S1')가 위치하게 되며, 결과적으로 제1 구간(R2-1)의 폭은 도 4의 제1 구간(R1-1)의 폭보다 좁아지는 반면 제2 구간(R2-2)의 폭은 도 4의 제2 구간(R1-2)의 폭보다 넓어지게 된다. 다시 말해, 동일한 조건에서, 제1 충전 전류(I1)에 의한 정전류 충전 과정이 이루어지는 최대 시간은 t1에서 t1'으로 단축되고, 제2 충전 전류(I2)에 의한 펄스 충전 과정이 이루어지는 시간은 (t1 - t1')만큼 연장된다. 한편, 제2 기준값(K2)은 고정된 값일 수 있으며, 이 경우 제3 구간(R3-3)의 폭은 도 4의 제3 구간(R1-3)의 폭과 동일할 수 있다.

상세히는, 제1 구간(R2-1)에서, 제어부(150)는 제1 충전부(141)를 활성화시킨다. 제1 구간(R2-1)은 충전 과정이 개시된 때(즉, 배터리(10)의 SOC가 0%인 때)부터 배터리(10)의 SOC가 제1 SOC(S1')에 도달할 때까지의 구간이다. 도 5에 있어서, 배터리(10)의 SOC는 도 4의 시점(t1)보다 앞서는 시점(t1')에 제1 SOC(S1')에 도달한다.

도 4의 제1 구간(R1-1)과 마찬가지로, 제1 충전부(141)는 제1 구간(R2-1) 동안에 제1 충전 전류(I1)로 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행한다.

배터리(10)의 SOC가 제1 SOC(S1')에 도달함과 동시에, 제어부(150)는 제1 충전부(141)를 비활성화시키고 제2 충전부(142)를 활성화시켜 제2 구간(R2-2)에 대한 충전 과정을 개시한다. 도 4과 비교할 때, 제1 SOC(S1')는 제1 기준값(K1)으로부터 상대적으로 좌측으로 시프트된 상태이므로, 제1 시점(t1') 역시 t1으로부터 좌측으로 시프트된다는 것은 자명하며, 결과적으로 제1 충전부(141)에 의한 정전류 충전 과정은 도 4에서의 정전류 충전 과정보다 상대적으로 일찍 종료된다.

제2 구간(R2-2)에서, 제2 충전부(142)는 제2 충전 전류(I2)로 배터리(10)에 대한 펄스 충전을 수행한다. 제2 구간(R2-2)은 제1 시점(t1')부터 제2 시점(t2) 사이의 구간으로서, 제2 시점(t2)은 배터리(10)의 SOC가 제2 기준값(K2)에 도달한 때이다.

제2 충전 전류(I2)는 펄스 형태로 출력되는 것이다. 도 4와는 대조적으로, 제어부(150)는 제1 충전 전류(I1)의 크기보다 작은 피크치를 가지는 제2 충전 전류(I2')를 출력하도록 제2 충전부(142)를 제어할 수 있다. 이때, 제1 충전 전류(I1)의 크기와 제2 충전 전류(I2')의 피크치 사이의 차이(ΔI)는, 제1 기준값(K1)과 배터리(10)의 SOC(M) 간의 차이(ΔD)에 대응할 수 있다. 예컨대, ΔI = ΔD × Q2일 수 있다. Q2는 양수로서, 구현예에 따라 적절히 선택 및 변경 가능할 수 있다.

이와 함께 또는 별개로, 제어부(150)는 ΔD의 크기를 기초로, 제2 충전 전류(I2')의 듀티 사이클을 결정할 수 있다. 바람직하게는, ΔD가 커질수록, 제2 충전 전류(I2')의 듀티 사이클은 점차적으로 감소될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 상측에 도시된 그래프를 참조하면, 제2 충전 전류(I2')의 듀티 사이클은 1/4로 설정될 수 있으며, 이는 도 4에 도시된 제2 충전 전류(I2)의 듀티 사이클인 1/3보다 작은 것임을 확인할 수 있다.

배터리(10)의 SOC가 제2 SOC(S2)에 도달함과 동시에, 제어부(150)는 제2 충전부(142)를 비활성화시키고 제3 충전부(143)를 활성화시켜 제3 구간(R1-3)에 대한 충전 과정을 개시한다. 다시 말해, 제어부(150)는 제2 시점(t2)에서, 제2 충전 전류(I2)의 공급을 중단하고 정전압 충전을 시작한다.

도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)에 의한 전체적인 충전 과정을 설명하는 데에 참조되는 그래프를 보여준다.

도 7의 상단에 도시된 그래프에서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 배터리(10)의 전류를 나타낸다. 또한, 도 7의 하단에 도시된 그래프에서, 가로축은 SOC를 나타내고, 세로축은 전압과 온도를 나타낸다.

도 7를 참조하면, 전체적인 충전 과정은 제1 구간(R3-1), 제2 구간(R3-2) 및 제3 구간(R3-3)으로 나누어질 수 있다. 구체적으로, 제1 구간(R3-1)과 제2 구간(R3-2)은 제1 SOC(S1)를 경계로 구분되고, 제2 구간(R3-2)과 제3 구간(R3-3)은 제2 SOC(S2)를 경계로 구분되는 것으로서, 도시된 바와 같이 제2 SOC(S2)는 제1 SOC(S1)보다 큰 값이다.

제1 구간(R3-1) 및 제3 구간(R3-3)에 대한 내용은 도 4를 참조하여 전술한 제1 구간(R1-1) 및 제3 구간(R1-3)에서의 충전 과정에 대한 설명과 공통되는 바, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

배터리(10)의 SOC가 제1 SOC(S1)에 도달함과 동시에, 제어부(150)는 제2 충전부(142)를 활성화시키는 대신 제1 충전부(141)를 활성화시킨 상태로 제2 구간(R3-2)에 대한 단계적인 정전류 충전을 개시한다는 점에서 도 4 내지 도 6에서의 충전 과정과는 부분적으로 상이하다.

서로 다른 크기를 가지는 충전 전류들을 단계적으로 감소시키면서 배터리(10)에 공급하는 방식을 '스텝 충전 방식'이라고 칭하기로 한다. 이러한 스텝 충전 방식은 정전류 충전 방식 중의 한가지로서, 고정 충전 방식과는 구별되는 것이다.

구체적으로, 제2 충전부(142)는 제2 구간(R3-2)에서 복수의 충전 전류들로 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행한다. 이해를 돕기 위해, 이하에서는 제2 구간(R3-2)의 시작부터 종료까지 스텝 충전 방식을 통해 제3 내지 제5 충전 전류(I5)가 배터리(10)에 순차적으로 공급되는 것으로 가정한다. 다시 말해, 제2 구간(R3-2)이 개시된 시점부터 제3 충전 전류(I3)로 정전류 충전을 수행한 후, 제4 충전 전류(I4)로 정전류 충전을 수행한다. 그 다음, 제5 충전 전류(I5)로 정전류 충전이 수행된다. 제5 충전 전류(I5)에 의한 정전류 충전이 완료되면, 제3 구간(R3-3)으로 전환된다.

배터리(10)의 발열을 저감하려는 본 발명의 목적을 효과적으로 달성하기 위해, 제1 충전 전류(I1)는 제3 충전 전류(I3)보다 크고, 제3 충전 전류(I3)는 제4 충전 전류(I4)보다 크며, 제4 충전 전류(I4)는 제5 충전 전류(I5)보다 크게 설정되는 것이 좋다. 예컨대, 제1 충전 전류(I1)에 대응하는 충전율(current rate)은 6C이고, 제3 충전 전류(I3)에 대응하는 충전율은 3C이며, 제4 충전 전류(I4)에 대응하는 충전율은 2C이고, 제5 충전 전류(I5)에 대응하는 충전율은 1C일 수 있다.

제3 충전 전류(I3)로부터 제4 충전 전류(I4)로의 제1 전환 시점(t_C1) 및 제4 충전 전류(I4)로부터 제5 충전 전류(I5)로의 제2 전환 시점(t_C2)은 다양한 기준으로 정해질 수 있다. 바람직하게는, 제어부(150)는 미리 정해진 기준 전압을 기초로, 제1 및 제2 전환 시점(t_C1, t_C2) 각각을 결정할 수 있다.

상세하게는, 제2 구간(R3-2)에서, 제어부(150)는 배터리(10)의 전압이 제1 기준 전압(V_C1)에 도달한 시점을 제1 전환 시점(t_C1)으로 설정할 수 있다. 또한, 제1 전환 시점(t_C1) 이후, 배터리(10)의 전압이 제2 기준 전압(V_C2)에 도달한 시점을 제2 전환 시점(t_C2)으로 설정할 수 있다.

제어부(150)는 제1 시점(t1)부터 제1 전환 시점(t_C1)까지 제3 충전 전류(I3)로 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행하다가, 제1 전환 시점(t_C1)부터 제2 전환 시점(t_C2)까지는 제4 충전 전류(I4)로 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행할 수 있다. 이어서, 제2 전환 시점(t_C2)부터 제2 시점(t2)까지는 제5 충전 전류(I5)로 배터리(10)에 대한 정전류 충전을 수행할 수 있다.

배터리(10)의 발열이 가장 심하게 나타나는 제2 구간(R3-2)에서, 스텝 충전 방식을 통해 충전 전류가 시간에 따라 단계적으로 낮아지므로, 배터리(10)의 온도 상승 기울기를 낮추는 것은 물론 리튬 이온의 석출 현상을 완화하는 효과를 기대할 수 있다.

한편, 도 4 내지 도 7을 참조하여 전술한 파라미터들인 제1 기준값(K1), 제2 기준값(K2), 설정 전류(Ts), 설정 전압(Vs), 설정 전류(Is), 충전 전류들(I1~I5, I2'), 기준 전압들(V_C1, V_C2), 펄스 충전을 위한 듀티 사이클 등에 대한 데이터는 메모리(151)에 미리 저장되는 것일 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 배터리 충전 장치(100)가 배터리(10)를 충전하는 방법을 보여주는 순서도이다.

도 8a를 참조하면, 단계 S812에서 배터리(10)의 SOC를 연산한다. 구체적으로, SOC 연산부(120)는 센싱부(110)로부터 제공되는 데이터를 기초로 확장 칼만 필터 등을 이용하여 배터리(10)의 SOC를 연산할 수 있다. SOC 연산부(120)에 의해 연산된 배터리(10)의 SOC를 나타내는 데이터는 제어부(150)로 제공된다.

단계 S814에서, 단계 S812을 통해 연산된 배터리(10)의 SOC가 제1 SOC 미만인지 판정한다. 메모리(151)에는 제1 SOC를 나타내는 데이터가 미리 저장될 수 있고, 제어부(150)는 메모리(151)에 저장된 데이터를 참조하여, 배터리(10)의 SOC와 제1 SOC 간의 대소 관계를 판정할 수 있다. 만약, 판정의 결과가 "YES"이면, 단계 S816이 개시된다. 반면, 판정의 결과가 "NO"이면, 단계 S822가 개시된다.

단계 S816에서, 제1 충전 전류(I1)로 정전류 충전을 수행한다. 제어부(150)는 제1 충전 전류(I1)가 배터리(10)에 공급될 수 있도록 제1 충전부(141)를 활성화시키고, 활성화된 제1 충전부(141)가 제1 충전 전류(I1)를 출력하도록 제어한다. 이때, 제1 충전 전류(I1)의 크기는 미리 정해진 것일 수 있다. 단계 S816이 종료되면, 단계 S812로 회귀할 수 있다.

도 8b를 참조하면, 단계 S822에서, 단계 S812을 통해 연산된 배터리(10)의 SOC가 제2 SOC 미만인지 판정한다. 메모리(151)에는 제2 SOC를 나타내는 데이터가 미리 저장될 수 있고, 제어부(150)는 메모리(151)에 저장된 데이터를 참조하여, 배터리(10)의 SOC와 제2 SOC 간의 대소 관계를 판정할 수 있다. 만약, 판정의 결과가 "YES"이면, 단계 S824가 개시된다. 반면, 판정의 결과가 "NO"이면, 단계 S832가 개시된다.

단계 S824에서, 펄스 충전 방식 및 스텝 충전 방식 중 어느 하나를 선택한다. 제어부(150)는 미리 정해진 다양한 조건과 센싱부(110)로부터 제공되는 데이터를 상호 비교하여, 펄스 충전 방식을 선택하거나 스텝 충전 방식을 선택할 수 있다.

단계 S826에서, 단계 S824를 통해 선택된 방식으로 배터리(10)에 대한 충전을 수행한다. 만약, 단계 S824를 통해 펄스 충전 방식이 선택되었다면, 도 4 내지 도 8을 참조하여 전술한 바와 같이, 제어부(150)는 제2 충전부(142)를 활성화시키고, 활성화된 제2 충전부(142)가 소정의 듀티비를 가지는 제2 충전 전류를 배터리(10)에 공급하도록 제어할 수 있다.

반면, 단계 S824를 통해 스텝 충전 방식이 선택되었다면, 도 7을 참조하여 전술한 바와 같이, 제어부(150)는 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 충전 전류들을 단계적으로 출력하도록 제1 충전부(141)를 제어할 수 있다. 단계 S826이 개시된 시점에서, 제1 충전부(141)는 단계 S816을 통해 이미 활성화된 상태일 수 있다. 단계 S826이 종료되면, 단계 S812로 회귀할 수 있다.

도 8c를 참조하면, 단계 S832에서, 배터리(10)에 공급되는 충전 전류가 설정 전류(Is) 미만인지 판정한다. 메모리(151)에는 설정 전류(Is)를 나타내는 데이터가 미리 저장될 수 있고, 제어부(150)는 메모리(151)에 저장된 데이터를 참조하여, 현재의 충전 전류와 설정 전류(Is) 간의 대소 관계를 판정할 수 있다. 만약, 판정의 결과가 "YES"이면, 단계 S834이 개시된다. 반면, 판정의 결과가 "NO"이면, 배터리(10)가 완전히 충전된 상태에 해당하므로, 모든 충전 과정이 종료된다.

단계 S834에서, 설정 전압(Vs)로 배터리(10)에 대한 정전압 충전을 수행한다. 단계 S834이 종료되면, 단계 S822 또는 단계 S812로 회귀할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

1: 배터리 팩
10: 배터리
100: 배터리 충전 장치
110: 센싱부
120: SOC 연산부:
131: AC-DC 변환기
132: DC-DC 변환기
140: 충전 회로
141: 제1 충전부:
142: 제2 충전부:
143: 제3 충전부:
150: 제어부:
151: 메모리

Claims (13)

1. 배터리의 SOC를 연산하도록 구성된 SOC 연산부;
   상기 배터리의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 센서;
   상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하도록 구성된 제1 충전부;
   상기 배터리에 대한 펄스 충전을 수행하도록 구성된 제2 충전부;
   상기 배터리에 대한 정전압 충전을 수행하도록 구성된 제3 충전부; 및
   상기 배터리의 SOC를 기초로, 상기 제1 내지 3 충전부 중 어느 하나를 활성화시키도록 구성된 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는,
   상기 배터리의 SOC가 기준값에 도달하기 전의 특정값일 때에 상기 배터리의 온도가 설정 온도 이상이 된 경우, 상기 기준값과 상기 특정값 간의 차이에 대응하는 보상값을 연산하고, 상기 기준값에서 상기 보상값을 뺀 값을 제1 SOC로 설정하고,
   상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC에 도달할 때까지, 제1 충전 전류로 상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하도록 상기 제1 충전부를 제어하고,
   상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 이상이고 상기 제1 SOC보다 큰 제2 SOC 미만인 경우, 상기 제1 충전 전류의 크기보다 작은 피크치를 가지는 제2 충전 전류로 상기 배터리에 대한 펄스 충전을 수행하도록 상기 제2 충전부를 제어하되, 상기 제1 충전 전류의 크기와 상기 제2 충전 전류의 피크치 간의 차이는 상기 기준값과 상기 특정값 간의 차이에 대응하고,
   상기 배터리의 SOC가 상기 제2 SOC 이상인 경우, 미리 정해진 설정 전압으로 상기 배터리에 대한 정전압 충전을 수행하도록 상기 제3 충전부를 제어하는, 배터리 충전 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 이상이고 상기 제1 SOC보다 큰 제2 SOC 미만인 경우, 상기 제2 충전 전류의 듀티 사이클을 상기 배터리의 온도 또는 온도 상승 기울기에 반비례하도록 감소시키는, 배터리 충전 장치.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 배터리의 SOC가 상기 기준값 미만이면서 상기 배터리의 온도가 상기 설정 온도 미만 경우, 상기 기준값을 상기 제1 SOC로 설정하는, 배터리 충전 장치.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항, 제4항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 충전 장치;
    를 포함하는, 배터리 팩.
    
11. 배터리의 SOC를 연산하고 상기 배터리의 온도를 측정하는 단계;
    상기 배터리의 SOC가 기준값에 도달하기 전의 특정값에서 상기 배터리의 온도가 설정 온도 이상이 된 경우, 상기 기준값과 상기 특정값 간의 차이에 대응하는 보상값을 연산하고, 상기 기준값에서 상기 보상값을 뺀 값을 제1 SOC로 설정하는 단계;
    상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC에 도달할 때까지, 제1 충전 전류로 상기 배터리에 대한 정전류 충전을 수행하는 단계;
    상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 이상이고 상기 제1 SOC보다 큰 제2 SOC 미만인 경우, 상기 배터리의 SOC가 상기 제2 SOC에 도달할 때까지, 상기 제1 충전 전류의 크기보다 작은 피크치를 가지는 제2 충전 전류로 상기 배터리에 대한 펄스 충전을 수행하는 단계로서, 상기 제1 충전 전류의 크기와 상기 제2 충전 전류의 피크치 간의 차이는 상기 기준값과 상기 특정값 간의 차이에 대응하는 단계; 및
    상기 배터리의 SOC가 상기 제2 SOC 이상인 경우, 미리 정해진 설정 전압으로 상기 배터리에 대한 정전압 충전을 수행하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 충전 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 상기 기준값 미만이면서 상기 배터리의 온도가 상기 설정 온도 미만 경우, 상기 기준값을 상기 제1 SOC로 설정하는 단계;
    를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 이상이고 상기 제1 SOC보다 큰 제2 SOC 미만인 경우, 상기 제2 충전 전류의 듀티 사이클은 상기 배터리의 온도 또는 온도 상승 기울기에 반비례하도록 감소되는 배터리 충전 방법.
    

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