KR102280579B1

KR102280579B1 - 충전 회로, 이를 포함하는 충전 시스템 및 무선전력 수신기

Info

Publication number: KR102280579B1
Application number: KR1020130159136A
Authority: KR
Inventors: 전병철; 최진섭; 홍종성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2021-07-22
Also published as: US20150180249A1; KR20150071970A; US9893552B2

Abstract

충전 회로는 충전가능한 배터리가 장착되는 배터리부, 충전부 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 충전부는 교류 전압이 변환된 직류 전압을 기초로 상기 배터리부에 장착된 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 공급하여 상기 충전가능한 배터리를 충전시킨다. 상기 컨트롤러는 상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 이용 가능한 최대 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어한다.

Description

충전 회로, 이를 포함하는 충전 시스템 및 무선전력 수신기{Charge circuit, Charge system and wireless power receiver}

본 발명은 충전 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충전 회로, 이를 포함하는 충전 시스템 및 이를 포함하는 무선전력 수신기에 관한 것이다.

휴대용 전화기 등과 같은 휴대성이 요구되는 휴대용 장치들은 배터리를 통해 전력을 공급받는다. 이때 일반적으로 충전가능한 배터리가 사용되며, 사용자는 배터리 잔량이 모두 소진되기 전에 상기 배터리를 충전해야 한다. 상기 배터리의 충전을 위하여 충전부는 외부 전원으로부터 상기 배터리로 유입되는 전류를 제어한다. 근래에는 급속 충전을 위하여 상기 배터리로 유입되는 전류의 레벨이 증가하고 있다. 전류의 레벨이 증가하게 되면, 상기 배터리가 열화되어 배터리의 수명이 감소하게 된다.

본 발명의 일 목적은 배터리 수명의 열화를 방지할 수 있는 충전 회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 목적은 배터리 수명 열화를 방지할 수 있는 충전 회로를 포함하는 충전 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 목적은 배터리 수명 열화를 방지할 수 있는 충전 회로를 포함하는 무선전력 수신장치를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 회로는 충전가능한 배터리가 장착되는 배터리부, 충전부 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 충전부는 교류 전압이 변환된 직류 전압을 기초로 상기 배터리부에 장착된 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 공급하여 상기 충전가능한 배터리를 충전시킨다. 상기 컨트롤러는 상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 이용 가능한 최대 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어한다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 충전 모드는 상기 충전 전류의 크기와 상기 이용 가능한 전류의 크기의 비교에 기초하여 구분되는 상기 제1 구간 및 제2 구간을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 제2 구간에서는 상기 제1 전류 프로파일보다 작은 제2 충전 전류가 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어할 수 있다.

상기 충전 회로는 상기 제2 구간의 종료 후에 상기 제1 충전 모드로부터 제2 충전 모드로 전환되고, 상기 제2 충전 모드는 상기 제2 충전 전류가 상기 충전가능한 배터리에 제공되는 제3 구간 및 상기 제2 충전 전류보다 작은 제2 전류 프로파일을 따르는 제3 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되는 제4 구간을 포함할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 모드의 상기 제1 구간에서는 상기 충전 전류와 상기 배터리 전압의 곱이 일정하도록 상기 충전부를 제어할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 상기 충전 전류의 값이 고정되도록 상기 충전부를 제어할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 제2 충전 모드의 제4 구간에서는 상기 배터리 전압이 일정하도록 상기 충전부를 제어할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 충전 회로는 상기 배터리부에 연결되어 상기 충전가능한 배터리의 온도를 감지하여 온도 신호로서 제공하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 온도 센서는 부의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 서미스터(thermistor)일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 이용가능한 최대 전류는 상기 제1 충전 모드에서 상기 리튬계 2차 전지의 음극에서 리튬 플레이팅(Lithium Plating)을 방지할 수 있는 상기 충전 전류의 최대값일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도에 기초한 상기 이용가능한 최대 전류를 상기 충전 전류와 비교하고, 상기 비교의 결과에 따라 상기 충전부를 제어하기 위한 복수의 제어 신호들을 생성할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도별로 상기 이용가능한 최대 전류를 저장하는 참조 테이블을 포함할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 충전 전류를 산출하기 위한 제1 및 제2 전압 신호를 기초로 상기 충전 전류를 산출하는 전류 산출부; 상기 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 전류의 차이를 증폭하여 제1 전류 신호로 제공하는 차동 증폭기; 상기 제1 전류 신호를 디지털 신호인 제2 전류 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 및 상기 제2 전류 신호 및 상기 배터리의 전압과 연관된 상기 제2 전압 신호를 기초로 상기 복수의 제어 신호들을 생성하는 제어 신호 생성기를 더 포함할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 충전 전류를 산출하기 위한 제1 및 제2 전압 신호 및 상기 배터리의 온도를 상응하는 제1 디지털 전압 신호, 제2 디지털 전압 신호 및 디지털 온도 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 상기 제1 디지털 전압 신호 및 상기 제2 디지털 전압 신호를 기초로 상기 충전 전류에 상응하는 디지털 충전 전류를 산출하는 전류 산출부; 상기 디지털 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 전류에 상응하는 이용가능한 최대 디지털 전류를 비교하고 디지털 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 디지털 전류의 차이에 상응하는 디지털 전류 신호를 제공하는 디지털 비교기; 및 상기 디지털 전류 신호 및 상기 배터리의 전압과 연관된 상기 제2 디지털 전압 신호를 기초로 상기 복수의 제어 신호들을 생성하는 제어 신호 생성기를 더 포함할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도별로 상기 이용가능한 최대 전류를 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.

상기 연산부는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도를 입력으로 하고, 상기 이용가능한 최대 전류를 출력으로 하는 함수를 이용하여 상기 이용가능한 최대 전류를 산출할 수 있다.

상기 충전부는 상기 복수의 제어 신호들 중 제1 및 제2 제어 신호에 응답하여 상기 직류 전압을 기초로 상기 충전 전류를 제공하는 충전 전류 제공부; 상기 충전 전류를 저장하는 인덕터; 및 상기 인덕터와 상기 충전가능한 배터리 사이에 연결되고, 상기 복수의 제어 신호들 중 제3 제어 신호에 응답하여 상기 인덕터에 저장된 상기 충전 전류를 상기 충전 가능한 배터리에 선택적으로 제공하는 스위치를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 모드에 선행하는 예비 충전 모드에서 상기 제1 충전 전류보다 작은 예비 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어할 수 있다.

상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템은 충전가능한 배터리, 시스템 부하, 충전 회로 및 스위치를 포함한다. 상기 충전 회로는 어댑터로부터 직류 전압을 공급받아 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 제공하여 상기 충전가능한 배터리를 충전하고, 상기 시스템 부하에 전력을 공급한다. 상기 스위치는 상기 충전가능한 배터리를 상기 어댑터의 과부하 조건에 따라 상기 시스템 부하와 선택적으로 연결한다. 상기 충전 회로는 충전 회로 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 충전부는 상기 직류 전압을 기초로 상기 충전 가능한 배터리에 상기 충전 전류를 제공한다. 상기 컨트롤러는 상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 최대로 이용 가능한 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어한다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 충전 회로는 상기 시스템 부하에서 필요로 하는 전력이 상기 어댑터의 과부하 조건에 도달하는 경우, 상기 스위치에 스위칭 제어 신호를 인가하여 상기 충전가능한 배터리를 상기 시스템 부하와 연결시킬 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 충전 회로는 상기 시스템 부하에서 필요로 하는 전력이 상기 어댑터의 과부하 조건에 미달하는 경우, 상기 스위치에 스위칭 제어 신호를 인가하여 상기 충전가능한 배터리를 상기 시스템 부하와 분리시킬 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 충전 회로는 상기 충전가능한 배터리에 연결되어 상기 충전가능한 배터리의 온도를 감지하여 온도 신호로서 제공하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 온도 센서는 부의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 서미스터(thermistor)일 수 있다.

상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 수신기는 충전 가능한 배터리, 정류기, 전압 컨버터 및 충전 회로를 포함한다. 상기 정류기는 소스 공진기로부터 타겟 공진기에 수신된 에너지에 기초하여 생성된 입력 전압을 정류하여 정류 전압을 제공한다. 상기 전압 컨버터는 상기 정류 전압을 출력 전압으로 변환한다. 상기 충전 회로는 상기 출력 전압을 제공받아 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 제공하여 상기 충전가능한 배터리를 충전시킨다. 상기 충전 회로는 충전부 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 충전부는 상기 출력 전압을 기초로 상기 충전 가능한 배터리에 상기 충전 전류를 제공한다. 상기 컨트롤러는 상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 최대로 이용 가능한 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어한다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 무선전력 수신 장치는 전자기 유도 방식으로 상기 에너지를 상기 소스로부터 수신할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 무선전력 수신 장치는 자기 공명 방식으로 상기 에너지를 상기 소스로부터 수신할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 전압 컨버터는 벅(buck) 컨버터일 수 있다.

본 발명에 실시예들에 따르면, 충전의 초기 모드에서는 정전력 모드 또는 정전류 모드의 전류 프로파일을 따르는 충전 전류를 충전가능한 배터리에 공급하고, 이후에 충전가능한 배터리의 음극에서 리튬 플레이팅 현상의 발생이 방지되도록 충전 전류의 레벨을 조절하여 충전가능한 배터리를 급속으로 충전함과 동시에 충전가능한 배터리의 수명이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 회로의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전가능한 배터리 구조를 나타낸다.
도 3은 도 2의 충전가능한 배터리가 충전되는 경우를 나타낸다.
도 4는 도 2의 충전가능한 배터리가 방전되는 경우를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 배터리 온도에 따른 리튬 플레이팅 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 충전 전류의 크기에 따른 리튬 플레이팅 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 충전 회로에서 입력 전력과 충전 시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전부의 구성의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전부의 구성의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 컨트롤러의 구성의 일예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 9의 참조 테이블을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 컨트롤러의 구성의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 컨트롤러의 구성의 또 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전 회로의 충전 동작에 따른 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전 회로의 충전 동작에 따른 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전가능한 배터리의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 16의 충전 회로의 구성을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 충전 회로가 적용될 수 있는 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 18의 소스 디바이스의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 18의 타겟 디바이스의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 20의 정류기를 나타내는 회로도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 20의 전압 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 20의 충전 회로의 구성을 나타낸다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 회로가 적용될 수 있는 전기 자동차 충전 시스템을 나타낸다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션을 나타낸다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 회로의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 회로(10)는 교류/직류 변환기(100), 충전부(200), 감지부(110), 제어부(300), 배터리부(400) 및 온도 센서(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 감지부(110)는 저항(111)으로 구성될 수 있고, 배터리부(400)에는 충전가능한 배터리(401), 즉 리튬계 이차전지(401)가 장착될 수 있고, 온도 센서(130)는 부(negative)의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 서미스터(thermistor; 133)로 구성될 수 있다.

교류/직류 변환기(100)는 입력되는 교류 전압(VA)을 직류 전압(VD)으로 변환하여 충전부(200)에 제공할 수 있다. 교류/직류 변환기(100)는 어댑터로 구현되거나 어댑터에 포함될 수 있다.

충전부(200)는 직류 전압(VD)을 수신하고, 수신된 직류 전압(VD)을 기초로 충전 전류(Ich)를 생성하여 충전가능한 배터리(401)에 제공할 수 있다. 감지부(110)는 저항(111)으로 구성되어 충전부(200)와 배터리부(400) 사이의 제1 및 제2 노드(N1, N2)에 연결될 수 있다. 감지부(110)의 제1 노드(N1)에서는 제1 전압 신호(CSP)를 제공하고, 감지부(110)의 제2 노드(N2)에서는 제2 전압 신호(CSN)를 제공할 수 있다. 저항(111)의 저항값은 미리 정해져 있고, 저항(111)의 저항값과 저항(111) 양단의 전압인 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)에 기초하여 충전 전류(Ich)의 크기가 산출될 수 있다.

배터리부(400)에는 충전가능한(rechargeable) 배터리(401)가 장착된다. 충전가능한 배터리(401)는 충전 전류(Ich)를 제공받아 충전될 수 있다. 충전가능한 배터리(401)는 리튬계 2차 전지를 포함할 수 있다. 온도 센서(130)는 배터리부(400)와 밀착되게 연결되고, 충전가능한 배터리(401)의 온도를 감지하여 온도 신호(THM)를 컨트롤러(300)에 제공할 수 있다. 온도 센서(130)는 부(negative)의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient, NTC)를 갖는 서미스터(thermistor; 133)로 구성될 수 있다. 서미스터란 온도 변화에 대하여 전기 저항의 변화가 큰 저항체이며 NTC 서미스터는 온도의 저항에 대하여 저항이 감소하는 서미스터이다. 하지만 온도 센서(130)는 NTC 서미스터(133)로 한정되지 않으며 배터리(401)의 온도를 검출할 수 있는 소자라면, 무엇을 이용해도 좋다.

컨트롤러(300)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)를 수신하고, 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)에 기초하여 충전 전류(Ich)의 크기를 산출할 수 있다. 제2 전압 신호(CSN)는 충전가능한 배터리(401)의 양극에 공급되는 전압이기 때문에 제2 전압 신호(CSN)는 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타낼 수 있다. 따라서 컨트롤러(300)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)에 기초하여 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)에 의하여 충전가능한 배터리(401)의 음극에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않도록 충전 모드에 따라서 충전부(200)를 제어할 수 있다. 즉 컨트롤러(300)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)에 기초하여 충전 모드에 따라서 충전 전류(Ich)의 레벨이 조정되도록 충전부(200)를 제어할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전가능한 배터리 구조를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 충전가능한 배터리(401), 즉 리튬계 2차 전지(401)는 양극(positive terminal, 404), 음극(negative terminal, 407) 및 세퍼레이터(separator, 410)를 외부와 떨어진 하우징(420)의 안에 설치하고, 하우징(420) 안에 전해액(411)이 충전되어 있다. 또한, 세퍼레이터(410)는 양극(404)과 음극(407)과의 사이에 배치되어 있다.

양극(404)에는, 양극 집전체(402)에 접하여 양극 활물질층(403)이 형성되어 있다. 본 명세서에서는, 양극 활물질층(403)과 양극 활물질층(403)이 형성된 양극 집전체(402)를 합쳐서 양극(404)이라고 부른다.

한편, 음극 집전체(405)에 접하여 음극 활물질층(406)이 형성되어 있다. 본 명세서에서는, 음극 활물질층(406)과 음극 활물질층(406)이 형성된 음극 집전체(405)를 합쳐서 음극(407)이라고 부른다.

양극 집전체(404)에는 단자부(421)가, 음극 집전체(405)에는 단자부(422)가 접속되어 있으며, 단자부(421)와 단자부(422)를 통해, 충전이나 방전이 행해진다.

또한, 도시한 구성에서는, 양극 활물질층(403)과 세퍼레이터(410)의 사이, 음극 활물질층(406)과 세퍼레이터(410)의 사이의 각각에는 간격이 있지만, 이에 한정되지 않는다. 양극 활물질층(403)과 세퍼레이터(410)가 접하고, 음극 활물질층(406)과 세퍼레이터(410)가 접해 있어도 좋다. 또는, 양극(404)과 음극(407)의 사이에 세퍼레이터(410)를 배치한 상태로 말아서 통상(筒狀)으로 해도 좋다.

양극 집전체(402)는, 스테인리스 스틸, 금, 백금, 아연, 철, 구리, 알루미늄, 티타늄 등의 금속 및 이들의 합금 등 도전성이 높은 재료를 이용할 수 있다. 또한, 실리콘, 티타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브덴 등의 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 이용할 수 있다. 또한, 실리콘과 반응해 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성해도 좋다. 실리콘과 반응해 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 양극 집전체(402)는, 박상(箔狀), 판상(板狀)(시트상), 망상(網狀), 펀칭 메탈상, 익스팬디드 메탈상 등의 형상을 적절히 이용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 양극 집전체(402)로서 알루미늄박을 이용한다.

양극 활물질층(403)에 포함되는 양극 활물질로서, 본 실시형태에서는 올리빈형 구조의 인산철 리튬(LiFePO4)을 이용한다.

올리빈형 구조의 인산철 리튬은, 리튬 이온의 확산 경로가 1차원적이다. 그 때문에, 결정성이 높을수록, 리튬 이온의 확산 경로가 확보되어, 더욱 많은 리튬 이온의 출입이 가능해진다. 또한, 인산철 리튬은 철을 포함하기 때문에 용량이 크다. 게다가, 인산철 리튬은 리튬이 전부 추출된 인산철(FePO4)도 안정적이기 때문에, 인산철 리튬을 이용해 제작하는 리튬 2차 전지의 용량을 안전하게 고용량화하는 것이 가능하다.

또한, 활물질이란, 캐리어인 이온의 삽입 및 이탈에 관한 물질을 가리킨다. 전극(양극 또는 음극, 또는 양쪽)을 제작할 때에는, 활물질과 함께 도전 조제, 결착제, 용매 등의 다른 재료를 혼합한 것을 활물질층으로서 집전체 상에 형성한다. 따라서, 활물질과 활물질층은 구별된다. 따라서 양극 활물질 및 양극 활물질층(403) 및, 후술하는 음극 활물질 및 음극 활물질층(406)은 구별된다.

또한 양극 활물질층(403)에는, 공지의 도전 조제나 결착제(바인더라고도 한다)가 포함되어 있어도 좋다. 본 실시형태에서는, 도전 조제로서 아세틸렌 블랙(AB), 결착제로서 폴리 불화 비닐리덴(PVDF)을 이용한다.

음극 집전체(405)로서는, 예를 들어 금속 등의 도전성이 높은 재료에 의해 구성된다. 도전성이 높은 재료로서, 예를 들어 스테인리스 스틸, 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 또는 티타늄을 이용할 수 있다. 또한, 음극 집전체

(405)는 박상, 판상(시트상), 망상, 펀칭 메탈상, 익스팬디드 메탈상 등의 형상을 적절히 이용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 음극 집전체(405)로서 구리박을 이용한다.

음극 활물질층(406)은, 캐리어인 이온의 흡장 방출이 가능한 음극 활물질을 포함한다. 본 실시형태에서는, 음극 활물질층(406)에 포함되는 음극 활물질로서 구상(球狀) 흑연을 이용한다.

음극 활물질로서 이용되는 흑연의 표면에는, 전해액(411)의 용매(후술)인 에틸렌 카보네이트(EC)가 환원 분해되어 생성되는 부동태 피막이 형성되어 있다. 이 부동태 피막이 형성됨으로써, 용매의 추가적인 분해를 억제하고, 음극 활물질인 흑연으로의 리튬 이온의 삽입이 가능해진다.

또한 음극 활물질층(406)에는, 공지의 도전 조제나 결착제가 포함되어 있어도 좋다. 본 실시형태에서는, 도전 조제로서 아세틸렌 블랙(AB), 결착제로서 폴리 불화 비닐리덴(PVDF)을 이용한다.

또한, 음극 활물질층(406)에 리튬을 프리 도핑해도 좋다. 리튬의 프리 도핑 방법으로서는, 스퍼터링법에 의해 음극 활물질층(106) 표면에 리튬층을 형성해도 좋다. 또는, 음극 활물질층(106)의 표면에 리튬박을 형성함으로써, 음극 활물질층(406)에 리튬을 프리 도핑할 수 있다.

전해액(411)은, 용질 및 용매를 포함하고 있다. 전해액(411)의 용질로서는, 캐리어 이온을 가지는 재료를 이용 한다. 용질의 대표예로서는, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, Li(C2F5SO2)2N 등의 리튬염이 있다. 본 실시형태에서는, 용질로서 LiPF6을 이용한다.

전해액(411)의 용매는, 캐리어 이온의 이송이 가능한 재료를 이용한다. 전해액의 용매로서는, 비프로톤성 유기용매가 바람직하다. 본 실시형태에서는, 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)의 혼합 용액을 이용한다. 에틸렌 카보네이트는, 상기와 같이 환원 분해되고, 음극 활물질인 흑연의 표면에 부동태 피막을 형성하므로, 전해액(411)의 용매로서 적합하다. 그러나, 에틸렌 카보네이트는 실온에서 고체이기 때문에, 용매로서 에틸렌 카보네이트를 디에틸 카보네이트에 용해시킨 것을 이용한다.

또한, 세퍼레이터(410)로서, 절연성의 다공체를 이용할 수 있다. 예를 들어, 종이, 부직포, 유리 섬유, 세라믹스, 또는 나일론(폴리아미드), 비닐론(폴리 비닐 알콜계 섬유), 폴리에스테르, 아크릴, 폴리올레핀, 폴리우레탄을 이용한 합성 섬유 등으로 형성된 것을 이용하면 좋다. 단, 전해액(411)에 용해하지 않는 재료를 선택할 필요가 있다.

도 3은 도 2의 충전가능한 배터리가 충전되는 경우를 나타낸다.

도 4는 도 2의 충전가능한 배터리가 방전되는 경우를 나타낸다.

도 3 및 도 4에서는 도 2의 충전가능한 배터리(401)가 리튬계 2차 전지로 구성되는 경우를 나타낸다.

먼저 도 3을 참조하면, 충전가능한 배터리(401)를 충전시키기 위하여 도 1의 충전부(200)가 단자부들(421, 422) 사이에 연결되어 참조 번호(431)가 나타내는 바와 같이 충전 전류(Ich)를 양극(404)에 제공한다. 충전 전류(Ich)가 양극(404)에 제공되면, 리튬 이온(Li, 441)이 세퍼레이터(410)를 통하여 음극(407)에 전달된다. 따라서 충전가능한 배터리(401)가 충전될 수 있다. 도 3에서 충전 전류(Ich)의 레벨이 지나치게 높아지면, 음극(407)에서 확산되는 리튬의 양보다 양극(404)에서 전해액(411)을 통하여 음극(407)에 전달되는 리튬의 양이 많을 때 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 리튬이 축적되는 리튬 플레이팅(lithium plating) 현상이 발생할 수 있다.

다음에 도 4를 참조하면, 충전가능한 배터리(401)의 방전시에는 부하(LOAD)가 단자부들(421, 422) 사이에 연결되어 참조 번호(432)가 나타내는 바와 같이 전류(432)가 충전가능한 배터리(401)로부터 부하(432)로 제공된다. 전류가(432)가 단자(422)를 통하여 음극(407)으로 제공되면 리튬 이온(442)이 음극(407)으로부터 세퍼레이터(410)를 통하여 양극(403)으로 제공될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 배터리 온도에 따른 리튬 플레이팅 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도 5a 및 도 5b에서는 0.16C의 충전 전류(Ich)가 충전가능한 배터리(401)에 공급될 때의 충전가능한 배터리(401)의 전압과 이에 따른 충전가능한 배터리(401)의 양극과 음극에서의 리튬의 농도를 나타낸다.

여기서 1C란 만충전 상태의 배터리(401)를 1시간 동안 SOC(state of charge; 충전상태)가 0%로 될 때까지의 방전가능한 전류값을 나타낸다.

도 5a는 충전가능한 배터리(401)의 온도 또는 충전가능한 배터리(401) 주위의 온도가 10℃인 경우를 나타내고, 도 5b는 충전가능한 배터리(401)의 온도 또는 주위 온도가 0℃인 경우를 나타낸다.

도 5a 및 도 5b에서 E(-)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)의 전위를 나타내고, E(+)는 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)의 전위를 나타내고 Ecell은 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타낸다.

도 5a에서 참조 번호(441a)는 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타내고, 참조 번호(442a)는 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)에서의 Li/Li+의 농도를 나타내고, 참조 번호(443a)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(404)에서의 Li/Li+의 농도를 나타낸다. 또한 참조 번호(444a)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 시점을 나타낸다.

도 5b에서 참조 번호(441b)는 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타내고, 참조 번호(442b)는 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)에서의 Li/Li+의 농도를 나타내고, 참조 번호(443b)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(404)에서의 Li/Li+의 농도를 나타낸다. 또한 참조 번호(444b)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 시점을 나타낸다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 충전가능한 배터리(401)의 온도 또는 주위 온도가 낮을수록 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 잘 발생하는 것을 알 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 충전 전류의 크기에 따른 리튬 플레이팅 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도 6a 및 도 6b에서는 상온에서 충전가능한 배터리(401)에 공급되는 충전 전류(Ich)의 크기가 달라질 때의 충전가능한 배터리(401)의 전압과 이에 따른 충전가능한 배터리(401)의 양극과 음극에서의 리튬의 농도를 나타낸다.

도 6a는 충전가능한 배터리(401)에 0.16C의 충전 전류(Ich)가 공급되는 경우를 나타내고, 도 6b는 충전가능한 배터리(401)에 0.4C의 충전 전류(Ich)가 공급되는 경우를 나타낸다.

도 a 및 도 6b에서 E(-)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)의 전위를 나타내고, E(+)는 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)의 전위를 나타내고 Ecell은 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타낸다.

도 6a에서 참조 번호(451a)는 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타내고, 참조 번호(452a)는 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)에서의 Li/Li+의 농도를 나타내고, 참조 번호(453a)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서의 Li/Li+의 농도를 나타낸다. 또한 참조 번호(454a)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 시점을 나타낸다.

도 6b에서 참조 번호(451b)는 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타내고, 참조 번호(452b)는 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)에서의 Li/Li+의 농도를 나타내고, 참조 번호(453b)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서의 Li/Li+의 농도를 나타낸다. 또한 참조 번호(454b)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 시점을 나타낸다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 충전가능한 배터리(401)에 공급되는 충전 전류(Ich)의 크기가 증가할수록 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 잘 발생하는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 충전 회로에서 입력 전력과 충전 시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 7에서는 충전 회로(10)가 예비 충전 모드(PRE), 정전력 모드(CP) 모드 및 정전압 모드(CV)에서 동작할 때 입력 전력에 상응하는 충전 전류와 충전 시간과의 관계를 나타낸다. 도 7에서 EOC는 충전 완료(end of charge)를 나타낸다. 도 7에서 참조번호(461)는 입력 전력이 제1 레벨일 때의 충전 전류의 레벨을 나타내고, 참조번호(462)는 입력 전력이 제2 레벨일 때의 충전 전류의 레벨을 나타내고, 참조번호(463)는 입력 전력이 제3 레벨일 때의 충전 전류의 레벨을 나타낸다. 따라서 입력 전력의 레벨에 따라 증가하는 충전 전류의 레벨이 증가할수록 충전 시간이 짧아지는 것을 알 수 있다. 즉 정전력(CP) 정전압(CV) 모드로 충전가능한 배터리(401)를 충전하는 경우에 정전력(CP)의 레벨이 높을수록 충전시간이 짧아지는 것을 알 수 있다.

도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전부의 구성의 일 예를 나타내는 회로도이다.

도 8a를 참조하면, 충전부(200a)는 충전 전류 제공부(210a), 인덕터(220) 및 스위치(230)를 포함하여 구성될 수 있다.

충전 전류 제공부(210a)는 직류 전압(VD)과 접지 사이에 직렬로 연결되는 엔모스 트랜지스터들(211, 213)을 포함할 수 있다. 엔모스 트랜지스터(211)는 직류 전압(VD)에 연결되는 드레인, 노드(N3)에 연결되는 소스 및 제1 제어 신호(CS1)를 수신하는 게이트를 구비한다. 엔모스 트랜지스터(213)는 노드(N3)에 연결되는 드레인, 접지에 연결되는 소스 및 제2 제어 신호(CS2)를 수신하는 게이트를 구비한다. 인덕터(220)는 노드들(N3, N4) 사이에 연결되어 노드(N3)로부터 제공되는 충전 전류(Ich)를 저장할 수 있다. 스위치(230)는 노드(N4)와 노드(N1) 사이에 연결되는 엔모스 트랜지스터(231)로 구성되고, 엔모스 트랜지스터(231)는 제3 제어 신호(CS3)에 응답하여 턴 온/오프되어 충전 전류(Ich)를 감지부(110)에 선택적으로 제공할 수 있다.

엔모스 트랜지스터(211)는 제1 제어 신호(CS1)의 레벨에 따라서 직류 전압(VD)으로부터 노드(N3)에 제공되는 전류의 양을 조절하는 역할을 수행하고, 엔모스 트랜지스터(213)는 제2 제어 신호(CS2)의 레벨에 따라서 노드(N3)로부터 접지로 싱킹되는 전류의 양을 조절하는 역할을 수행한다. 따라서 충전 전류 제공부(210a)는 제1 및 제2 제어 신호들(CS1, CS2)에 응답하여 노드(N1)로 제공되는 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절하는 역할을 한다.

엔모스 트랜지스터(231)는 제3 제어 신호(CS3)에 응답하여 턴 온/오프되어 충전 전류(Ich)를 충전가능한 배터리(401)에 선택적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 충전가능한 배터리(401)가 만충전 상태에 도달하면, 제3 제어 신호(CS3)는 로우 레벨이 되어 엔모스 트랜지스터(231)를 턴-오프시킬 수 있다.

도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전부의 구성의 다른 예를 나타내는 회로도이다.

도 8b를 참조하면, 충전부(200b)는 충전 전류 제공부(210b), 인덕터(220) 및 스위치(230)를 포함하여 구성될 수 있다.

충전 전류 제공부(210b)는 직류 전압(VD)과 접지 사이에 연결되는 엔모스 트랜지스터들(215, 216, 217, 218)을 포함할 수 있다. 엔모스 트랜지스터들(215, 216, 217)은 직류 전압(VD)과 노드(N3) 사이에 병렬로 연결되고, 엔모스 트랜지스터들(215, 216, 217)의 게이트들에는 제1 제어 신호들(CS11, CS12, CS13)이 각각 인가될 수 있다. 엔모스 트랜지스터(213)는 노드(N3)에 연결되는 드레인, 접지에 연결되는 소스 및 제2 제어 신호(CS2)를 수신하는 게이트를 구비한다. 인덕터(220)는 노드들(N3, N4) 사이에 연결되어 노드(N3)로부터 제공되는 충전 전류(Ich)를 저장할 수 있다. 스위치(230)는 노드(N4)와 노드(N1) 사이에 연결되는 엔모스 트랜지스터(231)로 구성되고, 엔모스 트랜지스터(231)는 제3 제어 신호(CS3)에 응답하여 턴 온/오프되어 충전 전류(Ich)를 감지부(110)에 선택적으로 제공할 수 있다. 엔모스 트랜지스터들(215, 216, 217)은 각각 제1 제어 신호들(CS11, CS12, CS13)의 각각의 레벨에 응답하여 노드(N3)로 제공되는 전류의 양을 조절하는 역할을 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 컨트롤러의 구성의 일예를 나타내는 블록도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러(300a)는 전류 산출부(310), 차동 증폭기(320), 아날로그/디지털 컨버터(330), 제어 신호 생성기(340) 및 참조 테이블(350)을 포함하여 구성될 수 있다.

전류 산출부(310)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)을 수신하고, 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 저항(111)의 저항값에 기초하여 충전 전류(Ich)를 산출한다. 전류 산출부(310)에는 저항(111)의 저항값이 미리 설정되어 있다. 전류 산출부(310)는 산출된 충전 전류(Ich)를 차동 증폭기(320)에 제공한다. 차동 증폭기(320)는 산출된 충전 전류(Ich)와 참조 테이블(350)에서 제공되는 이용 가능한 최대 전류(Imav)를 비교하여 그 차이를 증폭하여 제1 전류 신호(IAD)로 제공한다. 여기서 참조 테이블(350)은 충전가능한 배터리(401) 또는 그 주위의 온도를 나타내는 온도 신호(THM)와 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타내는 제2 전압 신호(CSN)를 수신하고, 상기 온도 신호(THM)와 제2 전압 신호(CSN)에 상응하는 이용가능한 최대 전류(Imav)를 차동 증폭기(320)에 제공할 수 있다.

아날로그/디지털 컨버터(300)는 제1 전류 신호(IAD)를 상응하는 디지털 신호인 제2 전류 신호(IDD)로 변환하여 제어 신호 생성기(340)에 제공한다. 여기서 제2 전류 신호(IDD)는 복수의 비트들을 포함하여 제어 신호 생성기(340)는 산출된 충전 전류(Ich)와 이용 가능한 최대 전류(Imav)의 차이를 나타낼 수 있다. 제어 신호 생성기(340)는 제2 전류 신호(IDD)와 제2 전압 신호(CSN)에 기초하여 제1 및 제3 제어 신호들(CS1~CS3)의 레벨을 결정하여 충전부(200)에 제공할 수 있다. 즉 제어 신호 생성기(340)는 제2 전류 신호(IDD)의 각 비트들의 논리 레벨에 상응하는 산출된 충전 전류(Ich)와 이용 가능한 최대 전류(Imav)의 차이에 따라 제1 및 제2 제어 신호들(CS1, CS2)의 레벨을 결정할 수 있고, 또한 제2 전압 신호(CSN)나 나타내는 충전 가능한 배터리(401)의 충전 상태(SOC)에 따라 제3 제어 신호(CS3)의 논리 레벨을 결정할 수 있다. 여기서 제1 제어 신호(CS1)는 복수의 제1 제어 신호들(CS11, CS12, CS13)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 전압 신호(CSN)가 충전 가능한 배터리(401)의 SOC(충전 상태)가 100%임을 나타내는 경우, 제어 신호 생성기(340)는 제3 제어 신호(CS3)를 로우 레벨로 비활성화시켜 스위치(230)에 제공할 수 있다.

예를 들어, 제2 전류 신호(IDD)가 충전 전류(Ich)와 이용 가능한 최대 전류(Imav)가 실질적으로 동일함을 나타내는 경우에는 충전부(200)에서 제공되는 충전 전류(Ich)의 레벨을 감소시켜야 충전가능한 배터리(401)의 음극에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 이러한 경우에, 제어 신호 생성기(340)는 제1 제어 신호(CS1)의 레벨 또는 제1 제어 신호들(CS11, CS12, CS13) 중 일부의 레벨을 낮추어 충전부(200)에 제공하여 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)의 레벨을 감소시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 9의 참조 테이블을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 참조 테이블(350)은 제1 내지 제3 칼럼들(651~353)을 포함할 수 있다. 제1 칼럼(351)은 충전가능한 배터리(401)의 현재 배터리 전압을 나타내는 제2 전압 신호(CSN)와 충전가능한 배터리(401)의 온도를 나타내는 온도 신호(THM)를 엔트리로서 구비하고, 제2 칼럼(352)은 충전가능한 배터리(401)의 현재 배터리 전압을 나타내는 제2 전압 신호(CSN)에 의하여 알 수 있는 충전가능한 배터리(401)의 현재 충전 상태(SOC)를 엔트리로서 구비하고, 현재 배터리 전압을 나타내는 제2 전압 신호(CSN)와 현재 배터리의 온도를 나타내는 온도 신호(THM)에 의하여 알 수 있는 충전가능한 배터리(401)의 현재 이용가능한 최대 전류(Imav)를 엔트리로서 구비할 수 있다.

즉, 감지부(111)에서 감지한 제2 전압 신호(CSN)가 CSN2이고, 온도 센서(130)에서 감지한 온도 신호(THM)가 THM2일 때, 충전가능한 배터리(401)의 현재 SOC는 SOC2이고 현재 이용가능한 최대 전류(Imav)는 Imav2일 수 있다. 따라서 참조 테이블(350)은 현재 시점에서의 제2 전압 신호(CSN)와 온도 신호(THM)가 입력되면, 이에 이용가능한 최대 전류(Imav)를 차동 증폭기(320a)에 제공할 수 있다. 참조 테이블(350)에 기입되는 내용들은 사전에 미리 테스트를 통하여 기입될 수 있다. 참조 테이블(350)에 포함되지 않는 제2 전압 신호(CSN)와 온도 신호(THM)는 감지된 제2 전압 신호(CSN)와 온도 신호(THM) 주위의 제2 전압 신호(CSN)와 온도 신호(THM)를 보간하여 상응하는 이용가능한 최대 전류(Imav)를 산출할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 컨트롤러의 구성의 다른 예를 나타내는 블록도이다.

도 11을 참조하면, 컨트롤러(300b)는 전류 산출부(310), 차동 증폭기(320a), 아날로그/디지털 컨버터(330), 제어 신호 생성기(340) 및 연산부(360)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 11의 컨트롤러(300b)는 도 9의 컨트롤러(300a)와 연산부(360)의 구성이 다르므로 연산부(360)에 대하여 상세히 설명하고, 전류 산출부(310), 차동 증폭기(320a), 아날로그/디지털 컨버터(330) 및 제어 신호 생성기(340)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

연산부(360)는 여기서 참조 테이블(350)은 충전가능한 배터리(401) 또는 그 주위의 온도를 나타내는 온도 신호(THM)와 충전가능한 배터리(401)의 배터리 전압을 나타내는 제2 전압 신호(CSN)를 수신하고, 상기 온도 신호(THM)와 제2 전압 신호(CSN)에 상응하는 이용가능한 최대 전류(Imav)를 차동 증폭기(320)에 제공할 수 있다. 이를 위하여 연산부(360)는 온도 신호(THM)와 제2 전압 신호(CSN)를 입력으로 하고, 이용가능한 최대 전류(Imav)를 출력으로 하는 함수(f(THM, CSN))를 저장할 수 있다. 함수(f(THM, CSN))는 도 9의 참조 테이블(350)과 마찬가지로 온도 신호(THM)와 제2 전압 신호(CSN)가 입력되면 이에 상응하는 이용가능한 최대 전류(Imav)를 산출하고 산출된 이용가능한 최대 전류(Imav)를 차동 증폭기(30)에 제공할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 컨트롤러의 구성의 또 다른 예를 나타내는 블록도이다.

도 12를 참조하면, 컨트롤러(300c)는 아날로그/디지털 컨버터(370), 전류 산출부(375), 참조 테이블(380), 디지털 비교기(385) 및 제어 신호 생성기(390)를 포함하여 구성될 수 있다.

아날로그/디지털 컨버터(370)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)를 수신하고, 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)를 상응하는 디지털 신호들로 변환한다. 즉 아날로그/디지털 컨버터는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)을 제1 및 제2 디지털 전압 신호들(CSPD, CSND)로 변환하고, 온도 신호(THM)를 디지털 온도 신호(THMD)로 변환한다. 아날로그/디지털 컨버터는 제1 및 제2 디지털 전압 신호들(CSPD, CSND)은 전류 산출부(375)에 제공하고, 제2 디지털 전압 신호(CSND)와 디지털 온도 신호(THMD)는 참조 테이블(380)에 제공한다. 전류 산출부(375)에는 저항(111)의 디지털 저항값이 미리 설정되어 있다.

전류 산출부(375)는 제1 및 제2 디지털 전압 신호들(CSPD, CSND) 및 저항(111)의 디지털 저항값에 기초하여 충전 전류(Ich)의 디지털 값인 디지털 충전 전류(IchD)를 산출하여 디지털 비교기(385)에 제공한다. 디지털 비교기(385)는 산출된 디지털 충전 전류(IchD)와 참조 테이블(380)에서 제공되는 이용 가능한 최대 전류(Imav)의 디지털 값인 이용 가능한 디지털 최대 전류(ImavD)를 비교하고 그 차이에 해당하는 디지털 전류 신호(IDD)를 제어 신호 생성기(390)에 제공한다. 여기서 참조 테이블(380)은 디지털 온도 신호(THMD)와 제2 디지털 전압 신호(CSND)를 수신하고, 이에 상응하는 이용가능한 디지털 최대 전류(ImavD)를 디지털 비교기(385)에 제공할 수 있다.

여기서 디지털 전류 신호(IDD)는 복수의 비트들을 포함하여 제어 신호 생성기(390)는 디지털 충전 전류(IchD)와 이용 가능한 디지털 최대 전류(ImavD)의 차이를 나타낼 수 있다. 제어 신호 생성기(390)는 디지털 전류 신호(IDD)와 제2 디지털 전압 신호(CSND)에 기초하여 제1 및 제3 제어 신호들(CS1~CS3)의 레벨을 결정하여 충전부(200)에 제공할 수 있다. 즉 제어 신호 생성기(390)는 디지털 전류 신호(IDD)의 각 비트들의 논리 레벨에 상응하는 디지털 충전 전류(IchD)와 이용 가능한 디지털 최대 전류(ImavD)의 차이에 따라 제1 및 제2 제어 신호들(CS1, CS2)의 레벨을 결정할 수 있고, 또한 제2 디지털 전압 신호(CSND)가 나타내는 충전 가능한 배터리(401)의 충전 상태(SOC)에 따라 제3 제어 신호(CS3)의 논리 레벨을 결정할 수 있다.

예를 들어, 디지털 전류 신호(IDD)가 디지털 충전 전류(IchD)와 이용 가능한 디지털 최대 전류(ImavD)가 실질적으로 동일함을 나타내는 경우에는 충전부(200)에서 제공되는 충전 전류(Ich)의 레벨을 감소시켜야 충전가능한 배터리(401)의 음극에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 이러한 경우에, 제어 신호 생성기(390)는 제1 제어 신호(CS1)의 레벨 또는 제1 제어 신호들(CS11, CS12, CS13) 중 일부의 레벨을 낮추어 충전부(200)에 제공하여 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)의 레벨을 감소시킬 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전 회로의 충전 동작에 따른 전류 특성을 나타내는 그래프이다.

도 13에서 참조 번호(471)는 도 1의 충전 회로(10)가 정전력(CP)-정전압(CV) 모드에서 충전가능한 배터리(401)를 충전하는 경우의 전류 프로파일(current profile)을 나타내고, 참조 번호(472)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않는 이용가능한 최대 전류(Imav)의 전류 프로파일을 나타낸다. 또한 참조 번호(473)는 본 발명의 실시예에 따라 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)의 전류 프로파일을 나타낸다.

이하 도 1 내지 도 13을 참조하여, 도 1의 충전 회로(10)의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 시간들(t0~t11) 사이의 예비 충전 구간(PRE)에서는 충전 회로(10)는 예비 충전 전류(Ipre)를 충전 전류(Ich)로서 충전가능한 배터리(401)에 제공하여 충전가능한 배터리(401)의 충전을 개시한다. 여기서, 예비 충전 전류(Ipre)는 약 0.2C의 크기를 가질 수 있다. 예비 충전 구간(PRE)후에 충전 회로(10)는 제1 충전 모드(CM11) 및 제2 충전 모드(CM12)로 충전가능한 배터리(401)에 충전 전류(Ich)를 제공할 수 있다. 여기서 제1 충전 모드(CM11)는 제1 구간(P11) 및 제2 구간(P12)으로 구분될 수 있고, 제2 충전 모드(CM12)는 제3 구간(P13) 및 제4 구간(P14)으로 구분될 수 있다. 또한 제1 구간(P11) 및 제2 구간(12)은 정전력(CP) 모드에서의 충전 전류(Ich)가 이용가능한 최대 전류(Imav)와 실질적으로 동일한 지점을 기준으로 구분될 수 있고, 제3 구간(P13) 및 제4 구간(P14)은 정전압(CV) 모드에서의 충전 전류(Ich)가 이용가능한 최대 전류(Imav)와 실질적으로 동일한 지점을 기준으로 구분될 수 있다.

시간들(t11~t12) 사이의 제1 충전 모드(CM11)의 제1 구간(P11)에서는 컨트롤러(300)는 정전력(CP) 모드에서의 전류 프로파일(제1 전류 프로파일)을 따르는 제1 충전 전류(473a)가 충전 전류(Ich)로서 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어한다. 즉 제1 구간(P11)에서는 CP 모드의 충전 전류가 충전가능한 배터리(401)에 제공한다. 물론 제1 구간(P11)에서 컨트롤러(300)는 주기적으로 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)와 이용가능한 최대 전류(Imav)를 비교하여 충전 전류(Ich)와 이용가능한 최대 전류(Imav)가 실질적으로 동일해지는 시간(t12) 이후에는 충전가능한 배터리(401)에 충전 전류(Ich)에 의하여 충전가능한 배터리(401)의 음극에서 리튬 플레이팅이 발생하지 않도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절할 수 있다.

보다 상세하게는 시간들(t12~t13) 사이의 제1 충전 모드(CM11)의 제2 구간(P12)에서는 컨트롤러(300)는 제1 전류 프로파일보다 작은 제2 충전 전류(473b)가 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어할 수 있다.

예를 들어, 시간들(t12~t13) 사이의 제1 충전 모드(CM11)의 제2 구간(P12)에서 제1 전류 프로파일에 따르는 충전 전류(Ich)가 충전가능한 배터리(401)에 계속 공급되면, 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 확산되는 리튬 이온의 양보다 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)에서 음극(407)으로 전달되는 리튬 이온의 양이 더 많아져, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 리튬이 축적되는 리튬 플레이팅(lithium plating) 현상이 발생할 수 있다. 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 리튬 플레이팅 현상이 발생하면 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 축적되는 리튬 이온에 의하여 리튬 이온의 손실이 발생하게 되고, 또한 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 SEI(solid-electrolyte interphase) 레이어가 성장으로 인한 임피던스가 증가하게 되어 충전가능한 배터리(401)의 수명이 열화하게 된다.

시간(t13)에 제1 충전 모드(CM11)가 종료되면, 충전 회로(10)의 충전 모드는 제1 충전 모드(CM11)에서 제2 충전 모드(CM12)로 전환된다.

시간들(t13~t14) 사이의 제2 충전 모드(CM12)의 제3 구간(P13)에서는 컨트롤러(300)는 제2 충전 전류(473b)가 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어한다. 물론 제3 구간(P13)에서 컨트롤러(300)는 주기적으로 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 제2 충전 전류(Ich)와 CV 모드에서의 전류 프로파일(제2 전류 프로파일)을 주기적으로 비교하여 충전 전류(Ich)와 제2 전류 프로파일이 실질적으로 동일해지는 시간(t14) 이후에는 충전가능한 배터리(401)에 충전 전류(Ich)에 의하여 충전가능한 배터리(401)의 음극에서 리튬 플레이팅이 발생하지 않도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절할 수 있다. 보다 상세하게는 시간들(t14~t15) 사이의 제2 충전 모드(CM12)의 제4 구간(P14)에서는 컨트롤러(300)는 제2 전류(473b)보다 작은 제2 전류 프로파일을 따르는 제3 충전 전류(473c)가 충전 전류(Ich)로서 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어할 수 있다. 시간(t15)에 충전가능한 배터리(401)의 충전이 완료된다(EOC).

예를 들어, 충전가능한 배터리(401)를 참조 번호(471)가 나타내는 정전력(CP)- 정전압(CV) 모드로 충전하는 경우에는 충전가능한 배터리(401)를 완충시키는데 시간이 더 필요하고(t15 이후), 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생할 수 있어, 충전가능한 배터리(401)의 수명을 열화시킬 수 있다. 하지만 본 발명의 실시예에 따르면, 충전의 초기 모드에서는 정전력 모드의 전류 프로파일을 따르는 충전 전류(Ich)를 충전가능한 배터리(401)에 공급하고, 이후에 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상의 발생이 방지되도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절하여 충전가능한 배터리(401)를 급속으로 충전함과 동시에 충전가능한 배터리(401)의 수명이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 충전 회로의 충전 동작에 따른 전류 특성을 나타내는 그래프이다.

도 14에서 참조 번호(481)는 도 1의 충전 회로(10)가 정전류(CC)-정전압(CV) 모드에서 충전가능한 배터리(401)를 충전하는 경우의 전류 프로파일(current profile)을 나타내고, 참조 번호(482)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않는 이용가능한 최대 전류(Imav)의 전류 프로파일을 나타낸다. 또한 참조 번호(483)는 본 발명의 실시예에 따라 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)의 전류 프로파일을 나타낸다.

이하 도 1 내지 도 12 및 도 14를 참조하여, 도 1의 충전 회로(10)의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 시간들(t0~t21) 사이의 예비 충전 구간(PRE)에서는 충전 회로(10)는 예비 충전 전류(Ipre)를 충전 전류(Ich)로서 충전가능한 배터리(401)에 제공하여 충전가능한 배터리(401)의 충전을 개시한다. 여기서, 예비 충전 전류(Ipre)는 약 0.2C의 크기를 가질 수 있다. 예비 충전 구간(PRE)후에 충전 회로(10)는 제1 충전 모드(CM21) 및 제2 충전 모드(CM22)로 충전가능한 배터리(401)에 충전 전류(Ich)를 제공할 수 있다. 여기서 제1 충전 모드(CM21)는 제1 구간(P21) 및 제2 구간(P22)으로 구분될 수 있고, 제2 충전 모드(CM22)는 제3 구간(P23) 및 제4 구간(P24)으로 구분될 수 있다. 또한 제1 구간(P21) 및 제2 구간(22)은 정전류(CC) 모드에서의 충전 전류(Ich)가 이용가능한 최대 전류(Imav)와 실질적으로 동일한 지점을 기준으로 구분될 수 있고, 제3 구간(P23) 및 제4 구간(P24)은 정전압(CV) 모드에서의 충전 전류(Ich)가 이용가능한 최대 전류(Imav)와 실질적으로 동일한 지점을 기준으로 구분될 수 있다.

시간들(t21~t22) 사이의 제1 충전 모드(CM21)의 제1 구간(P21)에서는 컨트롤러(300)는 정전압(CC) 모드에서의 전류 프로파일(제1 전류 프로파일)을 따르는 제1 충전 전류(483a)가 충전 전류(Ich)로서 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어한다. 즉 제1 구간(P21)에서는 정전류(CC) 모드의 충전 전류가 충전가능한 배터리(401)에 제공한다. 물론 제1 구간(P21)에서 컨트롤러(300)는 주기적으로 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)와 이용가능한 최대 전류(Imav)를 비교하여 충전 전류(Ich)와 이용가능한 최대 전류(Imav)가 실질적으로 동일해지는 시간(t22) 이후에는 충전 전류(Ich)에 의하여 충전가능한 배터리(401)의 음극에서 리튬 플레이팅이 발생하지 않도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절할 수 있다.

보다 상세하게는 시간들(t22~t23) 사이의 제1 충전 모드(CM21)의 제2 구간(P22)에서는 컨트롤러(300)는 제1 전류 프로파일보다 작은 제2 충전 전류(483b)가 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어할 수 있다.

예를 들어, 시간들(t22~t23) 사이의 제1 충전 모드(CM21)의 제2 구간(P22)에서 제1 전류 프로파일에 따르는 충전 전류(Ich)가 충전가능한 배터리(401)에 계속 공급되면, 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 확산되는 리튬 이온의 양보다 충전가능한 배터리(401)의 양극(404)에서 음극(407)으로 전달되는 리튬 이온의 양이 더 많아져, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 리튬이 축적되는 리튬 플레이팅(lithium plating) 현상이 발생할 수 있다. 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 리튬 플레이팅 현상이 발생하면 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 축적되는 리튬 이온에 의하여 리튬 이온의 손실이 발생하게 되고, 또한 음극(407)과 전해액(411)의 계면에 SEI(solid-electrolyte interphase) 레이어가 성장으로 인한 임피던스가 증가하게 되어 충전가능한 배터리(401)의 수명이 열화하게 된다.

시간(t23)에 제1 충전 모드(CM21)가 종료되면, 충전 회로(10)의 충전 모드는 제1 충전 모드(CM21)에서 제2 충전 모드(CM22)로 전환된다.

시간들(t23~t24) 사이의 제2 충전 모드(CM22)의 제3 구간(P23)에서는 컨트롤러(300)는 제2 충전 전류(483b)가 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어한다. 물론 제3 구간(P23)에서 컨트롤러(300)는 주기적으로 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 제2 충전 전류(Ich)와 정전압(CV) 모드에서의 전류 프로파일(제2 전류 프로파일)을 주기적으로 비교하여 충전 전류(Ich)와 제2 전류 프로파일이 실질적으로 동일해지는 시간(t24) 이후에는 충전 전류(Ich)에 의하여 충전가능한 배터리(401)의 음극에서 리튬 플레이팅이 발생하지 않도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절할 수 있다. 보다 상세하게는 시간들(t24~t25) 사이의 제2 충전 모드(CM22)의 제4 구간(P24)에서는 컨트롤러(300)는 제2 전류(483b)보다 작은 제2 전류 프로파일을 따르는 제3 충전 전류(483c)가 충전 전류(Ich)로서 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 충전부(200)를 제어할 수 있다. 시간(t85)에 충전가능한 배터리(401)의 충전이 완료된다(EOC).

예를 들어, 충전가능한 배터리(401)를 참조 번호(481)가 나타내는 정전류(CC)-정전압(CV) 모드로 충전하는 경우에는 충전가능한 배터리(401)를 완충시키는데 시간이 더 필요하고(t15 이후), 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생할 수 있어, 충전가능한 배터리(401)의 수명을 열화시킬 수 있다. 하지만 본 발명의 실시예에 따르면, 충전의 초기 모드에서는 정전류 모드의 전류 프로파일을 따르는 충전 전류(Ich)를 충전가능한 배터리(401)에 공급하고, 이후에 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상의 발생이 방지되도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절하여 충전가능한 배터리(401)를 안정적으로 충전함과 동시에 충전가능한 배터리(401)의 수명이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전가능한 배터리의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하 도 1 내지 도 4, 도 13 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 충전가능한 배터리의 충전 방법을 상세히 설명한다.

먼저 예비 충전 전류(Ipre)를 충전 전류(Ich)로서 충전가능한 배터리(401)에 제공하여 충전을 개시한다(S110). 여기서 충전가능한 배터리(401)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 리튬계 2차 전지일 수 있다. 다음에 제1 충전 모드(CM11, CM21)에서 제1 충전 전류(473a 또는 483a)로 충전가능한 배터리(401)를 충전한다(S120). 여기서 제1 충전 전류는 정전력 모드(CP)의 전류 프로파일일 따르는 충전 전류(473a)이거나 정전류 모드(CC)의 전류 프로파일을 따르는 충전 전류(483a)일 수 있다.

제1 충전 모드(CM11, CM21)에서 컨트롤러(300)는 주기적으로 제1 충전 전류(473a 또는 483a)와 충전가능한 배터리(401)의 온도 및 충전 상태(SOC)에 기초한 이용가능한 최대 전류(Imav)를 비교하여 제1 충전 전류(473a 또는 483a)가 이용가능한 최대 전류(Imav)보다 큰지 여부를 판단한다(S130). 예를 들어, 제1 충전 전류(473a 또는 483a)가 이용가능한 최대 전류(Imav)보다 작으면(S130에서 YES), 제1 충전 전류(473a 또는 483a)로 충전가능한 배터리(401)를 계속 충전한다(S120). 여기서, 이용가능한 최대 전류(Imav)는 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 전류값 중 최대값을 의미한다. 예를 들어, 제1 충전 전류(473a 또는 483a)가 이용가능한 최대 전류(Imav)보다 작지 않으면(S130에서 NO), 컨트롤러(300)는 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)의 레벨이 낮아지도록 충전부(200)를 제어하여 제1 충전 전류보다 작은 제2 충전 전류(473b 또는 483b)가 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 한다(S140).

충전 회로(300)의 충전 모드가 제2 충전 모드(CM12 또는 CM22)로 전환되고, 컨트롤러(300)는 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 제2 충전 전류(473b 또는 483b)가 제2 충전 모드의 전류 프로파일을 따르는 제3 충전 전류(473c, 483c)보다 작은지 여부를 주기적으로 판단한다(S150). 여기서 제3 충전 전류는 정전압(CV) 모드의 전류 프로파일을 따르는 충전 전류일 수 있다. 예를 들어, 제2 충전 전류(473b 또는 483b)가 제3 충전 전류(473c, 483c)보다 작으면(S150에서 YES), 제2 충전 전류로 충전가능한 배터리(401)를 계속 충전한다(S140). 예를 들어, 제2 충전 전류(473b 또는 483b)가 제3 충전 전류(473c, 483c)보다 작지 않으면(S150에서 NO), 컨트롤러(300)는 충전가능한 배터리(401)에 제공되는 충전 전류(Ich)의 레벨이 낮아지도록 충전부(200)를 제어하여 제3 충전 전류(473c, 483c)가 충전가능한 배터리(401)에 제공되도록 한다(S140). 충전 가능한 배터리(401)가 완충되었는지 여부를 판단하고(S170), 판단 여부에 따라 충전을 계속하거나 충전을 종료한다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 충전가능한 배터리의 충전 방법에서는 충전의 초기 모드에서는 정전력 모드 또는 정전류 모드의 전류 프로파일을 따르는 충전 전류(Ich)를 충전가능한 배터리(401)에 공급하고, 이후에 충전가능한 배터리(401)의 음극(407)에서 리튬 플레이팅 현상의 발생이 방지되도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절하여 충전가능한 배터리(401)를 급속으로 충전함과 동시에 충전가능한 배터리(401)의 수명이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템(15)은 어댑터(21) 및 어댑터(21)에 전기적으로 연결되는 전자 기기(20)를 포함할 수 있다. 전자 기기(20)는 스마트폰, 노트북, 태블릿(tablet), 넷북 컴퓨팅 시스템과 같은 시스템일 수 있고, 동작 전력을 필요로 하는 중앙 처리 장치(CPU, 621)와 메모리(622)를 포함할 수 있다. 중앙 처리 장치(621)와 메모리(622)는 시스템 부하(620)에 포함될 수 있다. 또한 전자 기기(20)는 충전 회로(500), 충전가능한 배터리 팩(610) 및 스위치(630)를 더 포함할 수 있다.

어댑터(21)는 교류 콘센트로부터 제공되는 교류 전압(VA)을 직류 전압(VD)으로 변환하여 충전 회로(500)에 제공할 수 있다. 충전 회로(500)는 직류 전압(VD)을 기초로 충전 전류(Ich)를 생성하여 생성된 충전 전류(Ich)를 충전가능한 배터리 팩(610)에 제공하여 충전가능한 배터리 팩(610)를 충전시킨다. 또한 충전 회로(500)는 충전가능한 배터리 팩(610)을 충전하는 동안, 충전가능한 배터리 팩(610)의 음극에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않도록 충전 전류(Ich)의 레벨을 조절할 수 있다.

스위치(630)는 충전 회로(500)가 어댑터(21)에 연결되지 않는 경우에 충전가능한 배터리 팩(610)을 시스템 부하(620)에 연결시키고, 충전 회로(500)가 어댑터(21)에 연결되는 경우에 충전가능한 배터리 팩(610)을 시스템 부하(620)로부터 분리시켜 시스템 부하(620)가 어댑터(21)로부터 직접 전력을 공급받을 수 있도록 한다.

충전가능한 배터리 팩(610)은 어댑터(21)의 용량이 초과되는 경우 추가적인 전력을 시스템 부하(620)에 제공할 수 있다. 즉, 충전 회로(500)는 시스템 부하(620)에서 필요로 하는 전력이 어댑터(21)의 과부하 조건에 도달하는 경우 스위치(630)에 스위칭 제어 신호(SCS)를 인가하여 충전가능한 배터리 팩(610)을 시스템 부하(620)와 연결시킬 수 있다. 또한 충전 회로(500)는 시스템 부하(620)에서 필요로 하는 전력이 어댑터(21)의 과부하 조건에 도달하는 경우 스위치(630)에 스위칭 제어 신호(SCS)를 인가하여 충전가능한 배터리 팩(610)을 시스템 부하(620)와 분리시킬 수 있다. 충전가능한 배터리 팩(610)은 도 2의 충전가능한 배터리(401)로 구성될 수 있다. 즉 충전가능한 배터리 팩(610)은 리튬계 2차 전지일 수 있다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 16의 충전 회로의 구성을 나타낸다.

도 17을 참조하면, 충전 회로(500)는 충전부(510), 감지부(520), 제어부(530), 및 온도 센서(540)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 감지부(520)는 저항(521)으로 구성될 수 있고, 온도 센서(540)는 부(negative)의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 서미스터(thermistor; 541)로 구성될 수 있다.

충전부(510)는 직류 전압(VD)을 수신하고, 수신된 직류 전압(VD)을 기초로 충전 전류(Ich)를 생성하여 충전가능한 배터리 팩(610)에 제공할 수 있다. 감지부(520)는 저항(521)으로 구성되어 충전부(510)와 충전가능한 배터리 팩(610) 사이의 제1 및 제2 노드(N21, N22)에 연결될 수 있다. 감지부(520)의 제1 노드(N21)에서는 제1 전압 신호(CSP)를 제공하고, 감지부(520)의 제2 노드(N22)에서는 제2 전압 신호(CSN)를 제공할 수 있다. 저항(521)의 저항값은 미리 정해져 있고, 저항(521)의 저항값과 저항(521) 양단의 전압인 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)에 기초하여 충전 전류(Ich)의 크기가 산출될 수 있다.

온도 센서(540)는 충전 가능한 배터리 팩(610)과 인접하게 배치되고, 충전 가능한 배터리 팩(610)의 온도 또는 그 주위의 온도를 감지하여 온도 신호(THM)를 컨트롤러(530)에 제공할 수 있다. 온도 센서(540)는 부(negative)의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient, NTC)를 갖는 서미스터(thermistor; 541)로 구성될 수 있다. 서미스터란 온도 변화에 대하여 전기 저항의 변화가 큰 저항체이며 NTC 서미스터는 온도의 저항에 대하여 저항이 감소하는 서미스터이다. 하지만 온도 센서(540)는 NTC 서미스터(541)로 한정되지 않으며 충전 가능한 배터리 팩(610)의 온도를 검출할 수 있는 소자라면, 무엇을 이용해도 좋다.

컨트롤러(530)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)를 수신하고, 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)에 기초하여 충전 전류(Ich)의 크기를 산출할 수 있다. 제2 전압 신호(CSN)는 충전 가능한 배터리 팩(610)의 양극에 공급되는 전압이기 때문에 제2 전압 신호(CSN)는 충전 가능한 배터리 팩(610)의 배터리 전압 또는 충전 상태(SOC)를 나타낼 수 있다. 따라서 컨트롤러(530)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)에 기초하여 충전 가능한 배터리 팩(610)에 제공되는 충전 전류(Ich)에 의하여 충전 가능한 배터리 팩(610)의 음극에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않도록 충전 모드에 따라서 충전부(510)를 제어할 수 있다. 즉 컨트롤러(530)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)에 기초하여 충전 모드에 따라서 충전 전류(Ich)의 레벨이 조정되도록 충전부(510)를 제어할 수 있다.

또한 컨트롤러(530)는 시스템 부하(620)에 연결되고, 시스템 부하(620)에서 요구하는 전력이 어댑터(21)의 과부하 조건에 도달하는지 여부를 판단하고, 과부하 조건에 도달하는 경우, 스위칭 신호(SCS)를 스위치(630)에 인가하여 충전가능한 배터리 팩(610)을 시스템 부하(620)에 연결시킬 수 있다.

컨트롤러(530)는 도 9의 컨트롤러(300a), 도 11의 컨트롤러(300b) 및 도 12의 컨트롤러(300c) 중 하나와 실질적으로 유사하게 구성될 수 있다. 이 경우에, 컨트롤러(530)는 어댑터(21)에서 제공가능한 전력과 시스템 부하(620)에서 요구되는 전력을 서로 비교하고, 비교 결과를 제어 신호 생성기(340)에 제공하는 로직 또는 회로(미도시)를 더 포함할 수 있고, 제어 신호 생성기(340)는 상기 비교 결과에 따라 스위칭 제어 신호(SCS)의 논리 레벨을 결정하여 스위치(630)에 제공할 수 있다.

도 18은 본 발명의 실시예에 따른 충전 회로가 적용될 수 있는 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.

무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송(wireless power transmission; WPT) 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다.

수 kW 이상의 전력을 전송하는 전기 자동차(electric vehicle)부터, 100W 이상의 전력을 소모하는 고 전력 어플리케이션 (high power application) 및 10W 이하의 전력을 소모하는 저 전력 어플리케이션(low powerapplication)에 이르기까지, 여러 가지 제품들을 위한 무선 전력 전송 방법이 연구되고 있다. 특히, 10W 이하의 전력을 사용하는 저 전력 어플리케이션이 모바일(mobile) 장치를 위해 널리 사용될 수 있다.

무선 전력 수신 장치는 수신된 에너지를 이용하여 배터리를 충전할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 및 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.

특히, 공진 방식의 무선 전력 전송은 소스 디바이스 및 타겟 디바이스의 위치에 있어서, 높은 자유도를 제공할수 있다. 소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다. 소스 디바이스 및 타겟 디바이스는 제어 및 상태 정보를 송수신하기 위하여 통신할 수 있다.

도 18을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(30)은 소스 디바이스(또는 무선 전력 전송 장치, 600) 및 타겟 디바이스(또는 무선 전력 수신 장치; 200)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 소스 디바이스는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기를 포함될 수 있고 타겟 디바이스는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기를 포함될 수 있다.

소스 디바이스(600)는 소스(605), 소스 공진기(601) 및 안테나(602)를 포함할 수 있고, 타겟 디바이스(700)는 타겟(705), 타겟 공진기(701) 및 안테나(702)를 포함할 수 있다.

소스 공진기(601)는 전자기 에너지(603)를 타겟 공진기(701)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 소스 공진기(601)는 타겟 공진기(701)와 마그네틱 커플링(또는 자기 공진)을 통하여 통신용 전력 또는 충전용 전력을 타겟(705)으로 전달할 수 있다. 여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미할 수 있다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는, 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다. 1mWatt~200Watt의 전력은 전기 자동차, 모바일 단말 등의 동작 및 충전에 사용될 수 있다.

소스(605)는 안테나(602)를 통하여 다양한 데이터(604)를 타겟(705)에 제공할 수 있고, 타겟(705)은 안테나(602)를 통하여 소스(605)로부터 다양한 데이터(604)를 수신할 수 있다. 소스(605)와 타겟(705)은 안테나들(602, 702)을 통하여 아웃밴드 통신을 수행할 수 있다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 18의 소스 디바이스의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 19를 참조하면, 소스 디바이스(600)는 소스 공진기(601), 안테나(602) 및 소스(605)를 포함할 수 있다. 소스(605)는 가변 SMPS(Variable SMPS)(610), 전력 검출기(620), 전력 증폭기(power amplifier)(630), 매칭 네트워크(matching network)(640), 송신 제어부(TX control unit)(650) 및 통신부(660)를 포함할 수 있다.

가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply)(610)는 전력 공급기(power supply)(607)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성할 수 있다. 가변 SMPS(610)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 송신 제어부(650)로부터 제공되는 제어 신호(SMEN)에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.

전력 검출기(power detector)(620)는 가변 SMPS(620)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보(DVI, DII)를 송신 제어부(650)로 전달할 수 있다. 또한, 전력 검출기(620)는 전력 증폭기(630)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.

전력 증폭기(630)는 발진기(609)로부터 제공되는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기(630)는 기준 공진 주파수를 이용하여 전력 증폭기(630)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 디바이스에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.

송신 제어부(650)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(target resonator)(701)와 소스 공진기(source resonator)(601) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출할 수 있다. 송신 제어부(650)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써 미스매칭을 검출하거나, 또는 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.

매칭 네트워크(matching network)(640)는 송신 제어부(650)의 제어에 따라 소스 공진기(601)와 타겟 공진기(701)간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다. 매칭 네트워크(640)는 캐패시터 또는 인덕터의 조합으로 송신 제어부(650)로부터 제공되는 스위칭 제어 신호들(SCS)에 응답하여 스위치를 통해 연결될 수 있다.

송신 제어부(650)는 소스 공진기(601) 또는 전력 증폭기(630)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 크면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.

또한, 송신 제어부(650)는 상기 전압 정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 기 설정된 복수의 트래킹 주파수들 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 복수의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수를 결정하고, 상기 기준 공진 주파수를 상기 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수로 조정할 수 있다.

또한, 송신 제어부(650)는 발진기(609)로부터 제공되는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 송신 제어부(650)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 송신 제어부(650)는 전력 증폭기(630)를 제어함으로써, 타겟 디바이스(700)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 통신부(660)는 인-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(700)에 다양한 데이터(604)를 전송할 수 있다. 또한, 송신 제어부(650)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟 디바이스(700)로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.

송신 제어부(650)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 송신 제어부(650)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 송신 제어부(650)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 송신 제어부(150)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.

한편, 통신부(660)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(660)는 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(160)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(700)에 데이터(604)를 전송할 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 18의 타겟 디바이스의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 20을 참조하면, 타겟 디바이스(또는 무선 전력 수신 장치, 700)는 타겟 공진기(701), 안테나(702) 및 타겟(705)을 포함하여 구성될 수 있다. 타겟(705)은 매칭 네트워크(710), 정류기(720), 전압 컨버터(800), 충전 회로(900), 충전가능한 배터리(750), RF 블록(760), 디지털 블록(770) 및 수신 제어부(RX control unit; 780)를 포함할 수 있다.

타겟 공진기(701)는 소스 공진기(101)로부터 전자기파 에너지(electromagnetic energy)(630)를 수신한다. 예를 들어, 타겟 공진기(701)는 소스 공진기(601)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(605)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신할 수 있다. 또한, 타겟 공진기(701)는 인-밴드 통신을 통해 소스(605)로부터 다양한 데이터(604)를 수신할 수 있다.

타겟 공진기(701)는 자기 공명을 통하여 소스 공진기(601)로부터 전자기 에너지를 수신하여 매칭 네트워크(710)에 제공한다. 매칭 네트워크(710)는 수신 제어부(780)로부터 제공되는 스위칭 제어 신호들(SCS2)에 응답하여 소스 공진기(601)와 타겟 공진기(701)간의 임피던스 미스매칭을 보상하고, 상기 수신된 전자기 에너지에 기초하여 입력 전압(VI)을 정류기(720)에 제공한다. 매칭 네트워크(710)는 커패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다.

정류기(720)는 입력 전압(VI)을 정류하여 정류 전압(VRECT)을 전압 컨버터(800)에 제공한다. 전압 컨버터(800)는 정류 전압(VRECT)에 기초하여 출력 전압(VOUT)을 생성하고 출력 전압(VOUT)을 충전 회로(900), 디지털 블록(770) 및 RF 블록(760)에 각각 "충전 전압"으로 제공할 수 있다.

RF 블록(또는 통신부, 760)은 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 수신 제어부(780)는 타겟 공진기(701)와 정류기(720) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류 전압(VRECT)에 기초하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 예를 들어, 수신 제어부(780)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한 수신 제어부(780)는 매칭 네트워크(710)를 통하여 타겟 공진기(701)의 임피던스를 조정함으로써, 소스 디바이스(600)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다.

RF 블록(760)은 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟 디바이스의 모델명", "해당 타겟 디바이스의 배터리 유형(battery type)", "해당 타겟 디바이스의 충전 방식", "해당 타겟 디바이스의 로드(Load)의 임피던스 값", "해당 타겟 디바이스의 타겟 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟 디바이스의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟 디바이스의 소요되는 전력량", "해당 타겟 디바이스의 고유의 식별자" 및 "해당 타겟 디바이스의 제품의 버전 또는 규격 정보" 중 적어도 하나를 포함하는 응답 메시지를 소스 디바이스(600)의 통신부(650)로 전송할 수 있다. 응답 메시지에 포함되는 정보의 종류는 구현에 따라 변경될 수 있다.

한편, RF 블록(760)은 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. RF 블록(760)은 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. RF 블록(760)은 아웃-밴드 통신을 통해 소스디바이스(600)와 데이터(604)를 송수신 할 수 있다.

충전가능한 배터리(750)는 도 2의 충전가능한 배터리(401)로 구성될 수 있다. 즉 충전가능한 배터리(750)는 리튬계 2차 전지일 수 있다.

도 19에서, 송신 제어부(650)는 소스 공진기(601)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(601)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(601)의 큐-팩터(Q-factor)가 결정될 수 있다. 다시 도 20에서 수신 제어부(780)는 타겟 공진기(701)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(701)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(701)의 큐-팩터(Q-factor)가 결정될 수 있다.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 20의 정류기를 나타내는 회로도이다.

도 21을 참조하면, 정류기(720)는 복수의 다이오드들(721~724)을 포함하여 구성될 수 있다.

다이오드(721)는 노드(N31)에서 다이오드(723)와 연결되고, 노드(N33)에서 다이오드(722)와 연결된다. 다이오드(724)는 노드(N32)에서 다이오드(722)와 연결되고 다이오드들(723, 724)은 공통으로 접지 전압에 연결된다. 노드들(N31, N32)로 입력 전압(VI)이 인가되고 노드(N33)에서 정류 전압(VRECT)이 제공된다. 따라서 정류기(720)는 AC인 입력 전압(VI)을 정류하여 노드(N33)에서 DC인 정류 전압(VRECT)을 제공할 수 있다. 노드들(N31, N32)은 매칭 네트워크(710)에 연결될 수 있다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 20의 전압 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.

도 22를 참조하면, 전압 컨버터(800)는 톱니파 발생기(811), 펄스폭 변조(PWM) 비교기(812), 제1 게이트 드라이버(813), 제2 게이트 드라이버(814), 엔모스 트랜지스터들(821, 822), 커패시터(823), 로우 패스 필터(830), 감지기(835), 피드백부(840), 기준 전압 생성기(851), 제1 및 제2 에러 증폭기들(852, 853)을 포함하여 구성될 수 있다.

엔모스 트랜지스터(821)는 정류 전압(VRECT)이 인가되는 드레인, 노드(N41)에 연결되는 게이트 및 노드(N42)에 연결되는 소스를 구비한다. 엔모스 트랜지스터(822)는 노드(N42)에 연결되는 드레인 제2 게이트 드라이버(814)의 출력이 인가되는 게이트 및 접지 전압에 연결되는 소스를 구비한다. 커패시터(823)는 노드(N41)와 노드(N42) 사이에 연결된다.

로우 패스 필터(830)는 노드(N42)와 노드(N43) 사이에 연결되고, 노드(N42)와 노드(N43) 사이에 연결되는 인덕터(831) 및 노드(N43)와 접지 전압 사이에 연결되는 커패시터(832)를 구비한다. 감지기(835)는 인덕터(831)에 흐르는 전류(IT)를 감지하고, 감지된 전류(IT)를 전압(VT)으로 변환하여 제2 에러 증폭기(853)에 제공한다.

피드백부(840)는 출력 전압(VOUT)이 제공되는 노드(N43)와 접지 전압 사이에 서로 직렬로 연결되는 저항들(R31, R32)을 포함한다. 저항들(R31, R32)이 서로 연결되는 노드(N44)에서 출력 전압이 분할되어 피드백 전압(VFB2)으로 제공된다.

제1 에러 증폭기(852)는 기준 전압 생성기(851)에서 제공되는 기준 전압(VREF2)과 피드백 전압(VFB2)의 차이를 증폭하여 제1 에러 전압(VER1)으로서 출력한다. 제2 에러 증폭기(853)는 제1 에러 전압(VER1)과 전압(VT)의 차이를 증폭하여 제2 에러 전압(VER2)으로서 출력한다.

펄스폭 변조 비교기(812)는 제2 에러 전압(VER2)과 톱니파 발생기(811)에서 제공되는 톱니파를 비교하여 그 차이에 따른 펄스폭을 가지는 펄스 신호(SPW)를 출력한다. 제1 게이트 드라이버(813)는 펄스 신호(SPW)에 응답하여 엔모스 트랜지스터(821)를 구동하고, 제2 게이트 드라이버(814)는 펄스 신호(SPW)에 따라 엔모스 트랜지스터(822)를 구동할 수 있다. 여기서 제1 게이트 드라이버(813)와 제2 게이트 드라이버(814)는 서로 상보적으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 제1 게이트 드라이버(813)가 엔모스 트랜지스터(821)를 턴-온시키는 경우에 제2 게이트 드라이버(814)는 엔모스 트랜지스터(822)를 턴-오프 시킬 수 있고, 제1 게이트 드라이버(813)가 엔모스 트랜지스터(821)를 턴-오프시키는 경우에 제2 게이트 드라이버(814)는 엔모스 트랜지스터(822)를 턴-온 시킬 수 있다.

로우 패스 필터(830)는 노드(N42)의 전압을 로우-패스 필터링하여 출력 전압(VOUT)으로 제공한다. 따라서 로우 패스 필터(830)는 정류 전압(VRECT)에 나타날 수 있는 고주파 하모닉 성분들을 필터링하여 출력 전압(VOUT)으로 제공할 수 있다.

예를 들어, 출력 전압(VOUT)의 레벨이 감소하면, 피드백 전압(VFB)의 레벨도 감소한다. 따라서 제1 에러 전압(VER1)의 레벨이 증가한다. 제1 에러 전압(VER1)의 레벨이 증가하면 제2 에러 전압(VER2)의 레벨도 증가한다. 제2 에러 전압(VER2)의 레벨이 증가하면 펄스 신호(SPW)의 펄스 폭이 증가하게 되므로, 제1 게이트 드라이버(813)는 엔모스 트랜지스터(821)를 증가된 시간 동안 턴 온시킬 수 있다. 따라서 출력 전압(VOUT)의 레벨이 증가하게 된다.

또한 예를 들어, 출력 전압(VOUT)의 레벨이 증가하면, 피드백 전압(VFB)의 레벨도 증가한다. 따라서 제1 에러 전압(VER1)의 레벨이 감소한다. 제1 에러 전압(VER1)의 레벨이 감소하면 제2 에러 전압(VER2)의 레벨도 감소한다. 제2 에러 전압(VER2)의 레벨이 감소하면 펄스 신호(SPW)의 펄스 폭이 감소하게 되므로, 제1 게이트 드라이버(813)는 엔모스 트랜지스터(821)를 감소된 시간 동안 턴 온시킬 수 있다. 따라서 출력 전압(VOUT)의 레벨이 감소하게 된다. 이와 같이, 전압 컨버터(800)는 정류 전압(VRECT)의 레벨을 변환하여 출력 전압(VOUT)으로 제공하는데 높은 전력 변환 효율로 이를 수행할 수 있다. 전압 컨버터(800)는 벅(buck) 컨버터일 수 있다.

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 20의 충전 회로의 구성을 나타낸다.

도 23을 참조하면, 충전 회로(900)는 충전부(910), 감지부(920), 제어부(930), 및 온도 센서(940)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 감지부(920)는 저항(921)으로 구성될 수 있고, 온도 센서(940)는 부(negative)의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 서미스터(thermistor; 941)로 구성될 수 있다.

충전부(910)는 직류 전압인 출력 전압(VOUT)을 수신하고, 수신된 출력 전압(VOUT)을 기초로 충전 전류(Ich)를 생성하여 충전가능한 배터리(750)에 제공할 수 있다. 감지부(920)는 저항(921)으로 구성되어 충전부(910)와 충전가능한 배터리(750) 사이의 제1 및 제2 노드(N51, N52)에 연결될 수 있다. 감지부(920)의 제1 노드(N51)에서는 제1 전압 신호(CSP)를 제공하고, 감지부(920)의 제2 노드(N22)에서는 제2 전압 신호(CSN)를 제공할 수 있다. 저항(921)의 저항값은 미리 정해져 있고, 저항(921)의 저항값과 저항(921) 양단의 전압인 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)에 기초하여 충전 전류(Ich)의 크기가 산출될 수 있다.

온도 센서(940)는 충전 가능한 배터리(750)와 인접하게 배치되고, 충전 가능한 배터리(750)의 온도 또는 그 주위의 온도를 감지하여 온도 신호(THM)를 컨트롤러(930)에 제공할 수 있다. 온도 센서(940)는 부(negative)의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient, NTC)를 갖는 서미스터(thermistor; 941)로 구성될 수 있다. 서미스터란 온도 변화에 대하여 전기 저항의 변화가 큰 저항체이며 NTC 서미스터는 온도의 저항에 대하여 저항이 감소하는 서미스터이다. 하지만 온도 센서(940)는 NTC 서미스터(941)로 한정되지 않으며 충전 가능한 배터리 팩(910)의 온도를 검출할 수 있는 소자라면, 무엇을 이용해도 좋다.

컨트롤러(930)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)를 수신하고, 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN)에 기초하여 충전 전류(Ich)의 크기를 산출할 수 있다. 제2 전압 신호(CSN)는 충전 가능한 배터리(750)의 양극에 공급되는 전압이기 때문에 제2 전압 신호(CSN)는 충전 가능한 배터리(750)의 배터리 전압 또는 충전 상태(SOC)를 나타낼 수 있다. 따라서 컨트롤러(930)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)에 기초하여 충전 가능한 배터리(750)에 제공되는 충전 전류(Ich)에 의하여 충전 가능한 배터리(750)의 음극에서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않도록 충전 모드에 따라서 충전부(910)를 제어할 수 있다. 즉 컨트롤러(930)는 제1 및 제2 전압 신호들(CSP, CSN) 및 온도 신호(THM)에 기초하여 충전 모드에 따라서 충전 전류(Ich)의 레벨이 조정되도록 충전부(910)를 제어할 수 있다. 따라서 충전 회로(900)는 도 13의 전류 프로파일이나 도 14의 전류 프로파일에 따른 충전 전류(Ich)를 충전가능한 배터리(750)에 제공함으로써 충전가능한 배터리(750)를 급속으로 충전함과 동시에 충전가능한 배터리(750)의 음극에서 발생할 수 있는 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 회로가 적용될 수 있는 전기 자동차 충전 시스템을 나타낸다.

도 24를 참조하면, 전기 자동차 충전 시스템(1100)은 소스 시스템(1110), 소스 공진기(1120), 타겟 공진기(1130), 타겟 시스템(1140) 및 전기 자동차용 배터리(1150)를 포함한다.

전기 자동차 충전 시스템(1100)은 도 18의 무선 전력 전송 시스템과 유사한 구조를 가진다. 즉, 전기 자동차 충전 시스템(1100)은 소스 시스템(1110) 및 소스 공진기(1120)로 구성되는 소스 디바이스를 포함한다. 또한, 전기 자동차 충전 시스템(1100)은 타겟 공진기(1130) 및 타겟 시스템(1140)으로 구성되는 타겟 디바이스을 포함한다.

이때, 소스 시스템(1110)은 도 19의 소스(605)와 같이, 가변 SMPS(Variable SMPS), 전력 검출기, 전력 증폭기(power amplifier), 매칭 네트워크(matching network), 송신 제어부(TX control unit) 및 통신부를 포함할 수 있다. 이때, 타겟 시스템(1140)은 도 20의 타겟(705)과 같이, 매칭 네트워크, 정류기, 전압 컨버터, 충전부, 배터리, RF 블록, 디지털 블록 및 수신 제어부(RX control unit)를 포함할 수 있다.

전기 자동차용 배터리(1150)는 타겟 시스템(1140)에 의해 충전 될 수 있다. 전기 자동차용 배터리(1150)는 도 2의 충전가능한 배터리(401)로 구성될 수 있다. 즉 전기 자동차용 배터리(1150)는 리튬계 2차 전지일 수 있다.

전기 자동차 충전 시스템(1100)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용할 수 있다. 소스 시스템(1110)은 충전 차량의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태에 따라 전력을 생성하고, 생성된 전력을 타겟 시스템(1140)으로 공급할 수 있다. 소스 시스템(1110)은 소스 공진기(1120) 및 타겟 공진기(1130)의 정렬(alignment)을 맞추기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 소스 시스템(1110)의 제어부는 소스 공진기(1120)와 타겟 공진기(1130)의 정렬이 맞지 않은 경우, 타겟 시스템(1140)으로 메시지를 전송하여 정렬을 제어할 수 있다. 이때, 정렬이 맞지 않은 경우란, 타겟 공진기(1130)의 위치가 마그네틱 공진(magnetic resonance)이 최대로 일어나기 위한 위치에 있지 않은 경우 일 수 있다. 즉, 차량이 정확하게 정차되지 않은 경우, 소스 시스템(1110)은 차량의 위치를 조정하도록 유도함으로써, 소스 공진기(1120)와 타겟 공진기(1130)의 정합이 맞도록 유도할 수 있다.

소스 시스템(1110)과 타겟 시스템(1140)은 통신을 통해, 차량의 식별자를 송수신할 수 있고, 각종 메시지를 주고받을 수 있다.

도 18 내지 도 23에서 설명된 내용들은 전기 자동차 충전 시스템(1100)에 적용될 수 있다. 즉 전기 자동차 충전 시스템(1100)에서 타겟 시스템(1140)은 도 23의 충전 회로(900)를 포함할 수 있고, 충전 회로(900)는 도 13의 전류 프로파일이나 도 14의 전류 프로파일에 따른 충전 전류(Ich)를 전기 자동차용 배터리(1150)에 제공함으로써 전기 자동차용 배터리(1150)를 급속으로 충전함과 동시에 전기 자동차용 배터리(1150)의 음극에서 발생할 수 있는 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 다만, 전기 자동차 충전 시스템(1100)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용하고, 전기 자동차용 배터리(1150)를 충전하기 위해 수십 watt이상의 전력 전송을 수행할 수 있다.

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션을 나타낸다.

도 25는 패드(1210)와 모바일 단말(1220) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(즉, 도 18의 소스 디바이스(600)는 패드(1210)에 탑재될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(도 18의 타겟 디바이스(700))는 모바일 단말(1220)에 탑재될 수 있다. 도 18 내지 도 23에서 설명된 내용들은 패드(1210)와 모바일 단말(1220)에 적용될 수 있다. 즉 모바일 단말(1220)에 포함되는 무선 전력 수신 장치는 충전 회로를 포함하고, 상기 충전 회로는 도 13의 전류 프로파일이나 도 14의 전류 프로파일에 따른 충전 전류를 모바일 단말(1220)에 포함되는 충전가능한 배터리에 제공함으로써 충전가능한 배터리를 급속으로 충전함과 동시에 충전가능한 배터리의 음극에서 발생할 수 있는 리튬 플레이팅 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 충전의 초기 모드에서는 정전력 모드 또는 정전류 모드의 전류 프로파일을 따르는 충전 전류를 충전가능한 배터리에 공급하고, 이후에 충전가능한 배터리의 음극에서 리튬 플레이팅 현상의 발생이 방지되도록 충전 전류의 레벨을 조절하여 충전가능한 배터리를 급속으로 충전함과 동시에 충전가능한 배터리의 수명이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 유무선으로 충전가능한 배터리를 충전하는 다양한 실시예들에 적용될 수 있다. 즉 본 발명의 실시예들은 모바일 단말의 유무선 충전, 전기 자동차 배터리의 유무선 충전 및 다양한 모바일 장치들의 유무선 충전에 적용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

충전가능한 배터리가 장착되는 배터리부;
교류 전압이 변환된 직류 전압을 기초로 상기 배터리부에 장착된 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 공급하여 상기 충전가능한 배터리를 충전시키는 충전부;
상기 배터리부와 상기 충전부 사이의 제1 노드와 제2 노드에서 상기 충전부와 상기 배터리부 사이에 연결되는 저항을 구비하고 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에서 각각 제1 전압 신호와 제2 전압 신호를 제공하는 감지부; 및
상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 이용 가능한 최대 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 제1 전압 신호, 상기 제2 전압 신호 및 상기 저항의 저항값에 기초하여 상기 충전 전류를 산출하고, 상기 산출된 충전 전류와 상기 이용 가능한 최대 전류의 비교에 기초하여 상기 충전부를 제어하는 복수의 제어 신호들을 생성하고, 상기 복수의 제어 신호들을 상기 충전부에 제공하고,
상기 컨트롤러는
상기 제1 전압 신호 및 상기 제2 전압 신호에 기초하여 상기 충전 전류를 산출하는 전류 산출부;
상기 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 전류의 차이를 증폭하여 제1 전류 신호로 제공하는 차동 증폭기;
상기 제1 전류 신호를 디지털 신호인 제2 전류 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 및
상기 제2 전류 신호 및 상기 배터리의 전압과 연관된 상기 제2 전압 신호를 기초로 상기 복수의 제어 신호들을 생성하는 제어 신호 생성기를 포함하는 충전 회로.
제1항에 있어서,
상기 제1 충전 모드는 상기 충전 전류의 크기와 상기 이용 가능한 전류의 크기의 비교에 기초하여 구분되는 상기 제1 구간 및 제2 구간을 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 제2 구간에서는 상기 제1 전류 프로파일보다 작은 제2 충전 전류가 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어하고,
상기 충전 회로는 상기 제2 구간의 종료 후에 상기 제1 충전 모드로부터 제2 충전 모드로 전환되고,
상기 제2 충전 모드는 상기 제2 충전 전류가 상기 충전가능한 배터리에 제공되는 제3 구간 및 상기 제2 충전 전류보다 작은 제2 전류 프로파일을 따르는 제3 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되는 제4 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 모드의 상기 제1 구간에서는 상기 충전 전류와 상기 배터리 전압의 곱이 일정하도록 상기 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 상기 충전 전류의 값이 고정되도록 상기 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 제2 충전 모드의 제4 구간에서는 상기 배터리 전압이 일정하도록 상기 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제1항에 있어서,
상기 배터리부에 연결되어 상기 충전가능한 배터리의 온도를 감지하여 온도 신호로서 제공하는 온도 센서를 더 포함하고,
상기 온도 센서는 부의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 서미스터(thermistor)인 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제1항에 있어서,
상기 충전가능한 배터리는 리튬계 2차 전지이고, 상기 최대로 이용가능한 전류는 상기 제1 충전 모드에서 상기 리튬계 2차 전지의 음극에서 리튬 플레이팅(Lithium Plating)을 방지할 수 있는 상기 충전 전류의 최대값인 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도에 기초한 상기 이용가능한 최대 전류를 상기 충전 전류와 비교하고, 상기 비교의 결과에 따라 상기 충전부를 제어하기 위한 상기 복수의 제어 신호들을 생성하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제8항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도별로 상기 이용가능한 최대 전류를 저장하는 참조 테이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
삭제
충전가능한 배터리가 장착되는 배터리부;
교류 전압이 변환된 직류 전압을 기초로 상기 배터리부에 장착된 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 공급하여 상기 충전가능한 배터리를 충전시키는 충전부;
상기 배터리부와 상기 충전부 사이의 제1 노드와 제2 노드에서 상기 충전부와 상기 배터리부 사이에 연결되는 저항을 구비하고 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에서 각각 제1 전압 신호와 제2 전압 신호를 제공하는 감지부; 및
상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 이용 가능한 최대 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 컨트롤러는
상기 제1 전압 신호, 상기 제2 전압 신호 및 상기 배터리의 온도를 상응하는 제1 디지털 전압 신호, 제2 디지털 전압 신호 및 디지털 온도 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터;
상기 제1 디지털 전압 신호 및 상기 제2 디지털 전압 신호를 기초로 상기 충전 전류에 상응하는 디지털 충전 전류를 산출하는 전류 산출부;
상기 디지털 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 전류에 상응하는 이용가능한 최대 디지털 전류를 비교하고 상기 디지털 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 디지털 전류의 차이에 상응하는 디지털 전류 신호를 제공하는 디지털 비교기; 및
상기 디지털 전류 신호 및 상기 배터리의 전압과 연관된 상기 제2 디지털 전압 신호를 기초로 상기 복수의 제어 신호들을 생성하는 제어 신호 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제8항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도별로 상기 이용가능한 최대 전류를 산출하는 연산부를 포함하고,
상기 연산부는 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 온도를 입력으로 하고, 상기 이용가능한 최대 전류를 출력으로 하는 함수를 저장하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제8항에 있어서, 상기 충전부는
상기 복수의 제어 신호들 중 제1 및 제2 제어 신호에 응답하여 상기 직류 전압을 기초로 상기 충전 전류를 제공하는 충전 전류 제공부;
상기 충전 전류를 저장하는 인덕터; 및
상기 인덕터와 상기 충전가능한 배터리 사이에 연결되고, 상기 복수의 제어 신호들 중 제3 제어 신호에 응답하여 상기 인덕터에 저장된 상기 충전 전류를 상기 충전 가능한 배터리에 선택적으로 제공하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 모드에 선행하는 예비 충전 모드에서 상기 제1 충전 전류보다 작은 예비 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 충전 회로.
충전가능한 배터리;
시스템 부하;
어댑터로부터 직류 전압을 공급받아 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 제공하여 상기 충전가능한 배터리를 충전하고, 상기 시스템 부하에 전력을 공급하는 충전 회로; 및
상기 충전가능한 배터리를 상기 시스템 부하와 선택적으로 연결하는 스위치를 포함하고,
상기 충전 회로는
상기 직류 전압을 기초로 상기 충전 가능한 배터리에 상기 충전 전류를 제공하는 충전부;
상기 충전 가능한 배터리와 상기 충전부 사이의 제1 노드와 제2 노드에서 상기 충전부와 상기 충전 가능한 배터리 사이에 연결되는 저항을 구비하고 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에서 각각 제1 전압 신호와 제2 전압 신호를 제공하는 감지부; 및
상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 최대로 이용 가능한 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 제1 전압 신호, 상기 제2 전압 신호 및 상기 저항의 저항값에 기초하여 상기 충전 전류를 산출하고, 상기 산출된 충전 전류와 상기 이용 가능한 최대 전류의 비교에 기초하여 상기 충전부를 제어하는 복수의 제어 신호들을 생성하고, 상기 복수의 제어 신호들을 상기 충전부에 제공하고,
상기 컨트롤러는
상기 제1 전압 신호 및 상기 제2 전압 신호에 기초하여 상기 충전 전류를 산출하는 전류 산출부;
상기 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 전류의 차이를 증폭하여 제1 전류 신호로 제공하는 차동 증폭기;
상기 제1 전류 신호를 디지털 신호인 제2 전류 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 및
상기 제2 전류 신호 및 상기 배터리의 전압과 연관된 상기 제2 전압 신호를 기초로 상기 복수의 제어 신호들을 생성하는 제어 신호 생성기를 포함하는 충전 시스템.
제15항에 있어서,
상기 충전 회로는 상기 시스템 부하에서 필요로 하는 전력이 상기 어댑터의 과부하 조건에 도달하는 경우, 상기 스위치에 스위칭 제어 신호를 인가하여 상기 충전가능한 배터리를 상기 시스템 부하와 연결시키고,
상기 충전 회로는 상기 시스템 부하에서 필요로 하는 전력이 상기 어댑터의 과부하 조건에 미달하는 경우, 상기 스위치에 스위칭 제어 신호를 인가하여 상기 충전가능한 배터리를 상기 시스템 부하와 분리시키고,
상기 충전 회로는 상기 충전가능한 배터리에 연결되어 상기 충전가능한 배터리의 온도를 감지하여 온도 신호로서 제공하는 온도 센서를 더 포함하고,
상기 온도 센서는 부의 온도 계수(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 서미스터(thermistor)인 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
충전가능한 배터리;
소스 공진기로부터 타겟 공진기에 수신된 에너지에 기초하여 생성된 입력 전압을 정류하여 정류 전압을 제공하는 정류기;
상기 정류 전압을 출력 전압으로 변환하는 전압 컨버터; 및
상기 출력 전압을 제공받아 상기 충전가능한 배터리에 충전 전류를 제공하여 상기 충전가능한 배터리를 충전시키는 충전 회로를 포함하고,
상기 충전 회로는
상기 출력 전압을 기초로 상기 충전 가능한 배터리에 상기 충전 전류를 제공하는 충전부;
상기 충전 가능한 배터리와 상기 충전부 사이의 제1 노드와 제2 노드에서 상기 충전부와 상기 충전 가능한 배터리 사이에 연결되는 저항을 구비하고 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에서 각각 제1 전압 신호와 제2 전압 신호를 제공하는 감지부; 및
상기 충전 전류, 상기 충전가능한 배터리의 배터리 전압 및 상기 충전가능한 배터리의 온도에 기초하여 적어도 제1 충전 모드의 제1 구간에서는 최대로 이용 가능한 전류보다 작은 상기 제1 충전 모드에서의 제1 전류 프로파일을 따르는 제1 충전 전류가 상기 충전 전류로서 상기 충전가능한 배터리에 제공되도록 상기 충전부를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 제1 전압 신호, 상기 제2 전압 신호 및 상기 저항의 저항값에 기초하여 상기 충전 전류를 산출하고, 상기 산출된 충전 전류와 상기 이용 가능한 최대 전류의 비교에 기초하여 상기 충전부를 제어하는 복수의 제어 신호들을 생성하고, 상기 복수의 제어 신호들을 상기 충전부에 제공하고,
상기 컨트롤러는
상기 제1 전압 신호 및 상기 제2 전압 신호에 기초하여 상기 충전 전류를 산출하는 전류 산출부;
상기 충전 전류와 상기 이용가능한 최대 전류의 차이를 증폭하여 제1 전류 신호로 제공하는 차동 증폭기;
상기 제1 전류 신호를 디지털 신호인 제2 전류 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 및
상기 제2 전류 신호 및 상기 배터리의 전압과 연관된 상기 제2 전압 신호를 기초로 상기 복수의 제어 신호들을 생성하는 제어 신호 생성기를 포함하는 무선전력 수신 장치.
제17항에 있어서,
상기 무선전력 수신 장치는 전자기 유도 방식으로 상기 에너지를 상기 소스로부터 수신하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신 장치.
제17항에 있어서,
상기 무선전력 수신 장치는 자기 공명 방식으로 상기 에너지를 상기 소스로부터 수신하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신 장치.
제17항에 있어서,
상기 전압 컨버터는 벅(buck) 컨버터인 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.