KR102418791B1 - 동적 컷오프 전압 기반의 배터리 고속 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

동적 컷오프 전압 기반의 배터리 고속 충전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 문서는 배터리의 고속 충전에 관한 것으로, 본 문서의 다양한 실시예에 따른 배터리를 고속으로 충전하는 장치는, 프로세서; 및 상기 메모리와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하고; 상기 메모리는, 실행 시에, 상기 프로세서가 상기 배터리의 현재 충전 상태를 동적으로 식별하는 동작; 상기 배터리의 상기 현재 충전 상태와 일치하는 적어도 하나의 고속 충전 프로파일을 결정하는 동작; 상기 고속 충전 프로파일과 대응하는 동적 컷오프 전압을 결정하는 동작; 및 상기 동적 컷오프 전압에 기초하여 상기 배터리를 충전하는 동작을 수행하는 명령들을 포함할 수 있다. 그 밖의 다양한 실시예를 더 포함할 수 있다.

Description

동적 컷오프 전압 기반의 배터리 고속 충전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FAST CHARGING OF BATTERIES BASED ON DYNAMIC CUTOFF VOLTAGE}
본 문서는 배터리 관리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 고속 충전에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 5월 15일에 출원된 가출원(provisional application) 번호 2470/CHE/2015 및 2015년 9월 3일에 출원된 완전 명세서(complete specification) 4675/CHE/2015에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
배터리들은 장치의 작동에 필요한 전원을 공급하며, 휴대용 장치들의 필수적인 구성요소이다. 기술의 진보에 따라, 모바일 폰, 휴대용 게임 머신 등과 같은 휴대용 장치들은 진전된 소프트웨어와 하드웨어 지원과 함께 정교해졌다. 사용자가 휴대용 장치의 새로운 특징들로부터 혜택을 받음에 따라, 배터리 충전 요구도 증가하게 되었다. 전통적인 1차 전지 배터리들, 즉 한정된 용량을 가지며 재충전이 불가능한 배터리들은 사용자의 요구를 충족하기에 불충분하다. 전력 소비량이 증가하고 1차 전지가 사용하는 것은 빈번한 배터리 교체가 요구되며, 또한 비용을 증가시킨다. 재충전 가능한 배터리들은 상기 문제에 대한 해결책으로 소개되었다. 재충전 가능한 배터리들은 필요한 만큼 그리고 필요한 때마다 재충전할 수 있으므로 편리하다. 현대의 대부분의 휴대용 장치들은 전원으로서 재충전 가능한 배터리들을 사용한다.
그러나, 재충전 가능한 배터리들의 단점은, 사용자와 편의성의 관점에서, 긴 충전 시간에 있다. 재충전 가능한 배터리들은 완전히 충전하는 데에 몇 시간이 걸릴 수 있고, 충전 시간은 배터리 용량에 따라 결정된다. 고강도의 사용을 지원하기 위하여 설계된 고용량의 배터리들은 완전히 충전하기까지 상당히 오랜 시간이 걸린다. 이러한 문제에 대한 해결책으로서, 고속 충전 어댑터가 소개되었다. 고속 충전 어댑터는 충전 시간을 상당히 감소시킬 수 있다. 그러나 기존의 고속 충전 시스템들의 단점은 충전할 필요가 있는 배터리의 유형과 용량에 관계없이 출력이 동일하다는 것이다. 충전 요구가 배터리의 유형 내역에 따라 가지각색이기 때문에, 각기 다른 유형의 배터리에 대하여 동일한 고속 충전기를 사용하는 것은 배터리의 상태와 수명에 악영향을 줄 수 있다.
또한, 기존의 배터리 충전 시스템들에서, 배터리들은 컷오프 전압에 도달할 때까지 전류를 인가함으로써 충전된다. 이러한 스키마(schema)의 단점은 배터리 내의 전류 레벨이 더 높은 레벨로 급등하여, 결국 배터리의 수명에 악영향을 줄 수 있다.
본 실시예들의 목적은 배터리의 충전 상태에 기초하여, 배터리를 충전하는 컷오프 전압을 동적으로 결정하는 것이다.
본 실시예의 다른 목적은 동적으로 결정된 컷오프 전압에 기초하여, 배터리를 충전하는 것이다.
본 실시예의 다른 목적은 동적으로 결정된 컷오프 전압에 도달하는 배터리에 적용되는 전압의 다양한 상태들을 결정하는 것이다.
본 문서의 다양한 실시예에 따른 배터리를 고속으로 충전하는 장치는, 프로세서; 및 상기 메모리와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하고; 상기 메모리는, 실행 시에, 상기 프로세서가 상기 배터리의 현재 충전 상태를 동적으로 식별하는 동작; 상기 배터리의 상기 현재 충전 상태와 일치하는 적어도 하나의 고속 충전 프로파일을 결정하는 동작; 상기 고속 충전 프로파일과 대응하는 동적 컷오프 전압을 결정하는 동작; 및 상기 동적 컷오프 전압에 기초하여 상기 배터리를 충전하는 동작을 수행하는 명령들을 포함할 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예에 따른 배터리를 고속으로 충전하는 방법은, 상기 배터리의 현재 충전 상태를 동적으로 식별하는 과정; 상기 배터리의 상기 현재 충전 상태와 일치하는 적어도 하나의 고속 충전 프로파일을 결정하는 과정; 상기 고속 충전 프로파일과 일치하는 동적 컷오프 전압을 결정하는 과정; 및 상기 동적 컷오프 전압에 기초하여 상기 배터리를 충전하는 과정을 포함할 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예에 따르면, 충전 시간을 감소시키고, 배터리의 수명을 연장시키고, 전류의 크기를 감소시키고, 배터리의 품질 저하를 최소화할 수 있다.
본 실시예들은 다음의 도면들을 참조한 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 시스템의 블록도이다.
도 2는 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 모듈의 구성요소들을 보여주는 블록도이다.
도 3은 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 시스템을 사용하는 배터리를 고속 충전하는 프로세스에 포함된 단계들을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 시스템을 사용하여, 전압 단계 값들을 결정하는 프로세스에 포함된 단계들을 도시하는 흐름도이다.
도 5a 내지 5g는 실시예들에 개시된 바와 같이, 배터리의 고속 충전에 기초한 다단계 점증식 정전압(MSCV: multi step of increasing constant voltage)과 관련된 다양한 값들을 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 6c는 실시예들에 개시된 바와 같이, 배터리의 고속 충전에 기초한 가변 컷오프 전압(VCV: variable cut-off voltage)과 관련된 다양한 값들을 나타낸 그래프이다.
본 실시예들과 그의 다양한 특징들 및 세부사항들은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에 개시된 비제한 실시예들을 참조하여 더 상세히 설명된다. 공지의 구성요소 및 처리 기술은 본 실시예들을 불필요하게 가리지 않도록 그 설명을 생략한다. 여기에 사용된 예시들은 단지 본 실시예들이 실행될 수 있는 방식에 대한 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 나아가 본 기술 분야에 속하는 통상의 기술자가 본 실시예들을 실행할 수 있도록 하기 위한 것이다. 따라서 그러한 예시들은 본 실시예들의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 실시예들은 동적 고속 충전 메커니즘을 개시한다. 이제, 도면을 참조하여, 보다 구체적으로 도 1 내지 도 6을 참조하여, 실시예들을 설명한다. 도면에서 유사한 참조 문자들은 상응하는 특징들을 일관되게 나타낸다.
도 1은 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 시스템의 블록도를 도시한다. 동적 고속 충전 시스템은 충전이 필요한 배터리(102)에 연결될 수 있는 동적 고속 충전 모듈(101)을 포함한다.
동적 고속 충전 모듈(101)은 연결된 배터리(102) 특유의 적어도 하나의 파라미터를 입력 데이터로서 수집하도록 구성될 수 있다. 동적 고속 충전 모듈(101)은 수집된 입력 데이터들을 처리함으로써, 배터리(102)의 현재 충전 상태(SOC: state of charge)를 결정하도록 더 구성될 수 있다. 동적 고속 충전 모듈(101)은 배터리(102)의 현재 충전 상태와 일치하는 적어도 하나의 고속 충전 프로파일을 선택하도록 더 구성될 수 있다. 동적 고속 충전 모듈(101)은 선택된 고속 충전 프로파일과 일치하는 컷오프 전압 값을 동적으로 결정하도록 더 구성될 수 있다. 동적 고속 충전 모듈(101)은 결정된 컷오프 전압 값에 기초하여, 배터리(102)를 충전하도록 더 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 동적 고속 충전 모듈(101)은 전압을 인가함으로써 배터리를 충전하며, 이 경우 배터리를 충전하도록 인가되는 전압의 양은 동적으로 결정된 배터리의 현재 충전 상태에 기초하여 결정될 수 있다.
배터리(102)는 동적 고속 충전 모듈(101)이 지원하는 적어도 하나의 고속 충전 프로파일과 일치하는 내역을 가지는 임의의 재충전 가능 배터리가 될 수 있다.
도 2는 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 모듈의 구성요소들을 보여주는 블록도를 도시한다. 동적 고속 충전 모듈(101)은 입출력 인터페이스(201, I/O interface), 상태 평가 모듈(202, state assessment module), 컷오프 선택 모듈(203, cut-off selection module), 및 충전부(204, charging component)를 포함할 수 있다.
입출력 인터페이스(201)는 동적 고속 충전 모듈(101)에 적어도 하나의 배터리(102)를 연결하는 적어도 하나의 적절한 매개체를 제공하도록 구성될 수 있다. 입출력 인터페이스(201)에 의해 제공되는 매개체는 배터리(102)의 충전 상태를 결정하기 위하여 동적 고속 충전 모듈(101)에 대한 입력으로서 데이터의 수집을 지원하고 배터리(102)의 충전을 지원하도록 구성될 수 있다.
상태 평가 모듈(202)은 배터리(102)로부터 수집된 적어도 하나의 입력에 기초하여, 배터리(102)의 현재 충전 상태를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 입력은 전압 및 온도 값들이 될 수 있다. 상태 평가 모듈(202)은 메모리 모듈(205)에 저장된 적어도 하나의 참조 데이터에 기초하여, 배터리(102)의 현재 충전 상태를 결정하도록 구성될 수 있다. 상태 평가 모듈(202)은 결정된 현재의 충전 상태 정보를 적어도 컷오프 선택 모듈(203)과 통신하도록 더 구성될 수 있다. 상태 평가 모듈(202)은 배터리(102)의 현재 충전 상태를 결정하는 동안에 과전압(over-potential) 값을 측정하고 고려하도록 더 구성될 수 있으며, 이때 과전압 값의 높은 값은 배터리(102)의 성능 저하를 나타낸다.
컷오프 선택 모듈(203)은 상기 결정된 배터리(102)의 현재 충전 상태에 관계되는 정보를 상태 평가 모듈(202)로부터 수집하도록 구성될 수 있다. 컷오프 선택 모듈(203)은 적어도 하나의 고속 충전 프로파일을 식별하도록 더 구성될 수 있으며, 이때 고속 충전 프로파일은 식별된 현재 충전 상태와 일치한다. 컷오프 선택 모듈(203)은 상기 식별된 고속 충전 프로파일과 일치하는 컷오프 전압 값을 결정하도록 더 구성될 수 있다. 실시예에서, 컷오프 선택 모듈(203)은 메모리 모듈(205)에 저장된 대응하는 참조 데이터에 기초하여, 상기 일치하는 고속 충전 프로파일 및 컷오프 전압을 식별한다. 컷오프 선택 모듈(203)은 컷오프 전압 값을 충전부(204)와 통신하도록 더 구성될 수 있다.
충전부(204)는 컷오프 선택 모듈(203)에 의하여 지시받은 바와 같이 컷오프 전압 값을 선택하도록 구성될 수 있다. 충전부(204)는 컷오프 선택 모듈(203)로부터 수신된 데이터에 따라 컷오프 전압을 변경하도록 구성될 수 있으며, 결국 컷오프 선택 모듈(203)은 다양한 배터리(102)들의 요건 및 충전 상태에 따라 전압을 조절하도록 도와준다. 충전부(204)는 여러 단계들에서 적절한 전압을 인가함으로써 배터리(102)를 충전하도록 더 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 충전 모듈(204)은 상기 결정된 배터리(102)의 충전 상태에 기초하여 각각의 단계에서 인가되는 전압의 양을 결정할 수 있다.
메모리 모듈(205)은 동적 고속 충전 프로세스에 관련된 그리고 그에 필요한 모든 정보를 저장하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리 모듈(205)은 충전 상태, 고속 충전 프로파일, 컷오프 전압 값, 배터리(102)를 충전하기 위하여 인가된 전압의 양(각 단계에서)과 관계되는 정보 등에 관한 참조 데이터를 저장할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 메모리 모듈(205)에 있는 데이터는 정적으로 또는 동적으로 구성된다.
도 3은 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 시스템을 사용하는 배터리를 고속 충전하는 프로세스에 포함된 단계들을 도시하는 흐름도이다. 처음에, 적어도 하나의 배터리 파라미터는 동적 고속 충전 모듈(101)에 의하여 입력으로서 수집된다(302). 입력으로서 수집되는 배터리 파라미터는 전압 값 및 배터리(102)에 관계된 온도 값과 같은 파라미터들 중의 적어도 하나가 될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 배터리의 현재 충전 상태는 상기 수집된 입력들을 처리함으로써 동적 고속 충전 모듈(101)의 상태 평가 모듈(202)에 의하여 결정된다(304). 여기에서, 용어 현재 충전 상태는 충전 상태가 상태 평가 모듈(202)에 의하여 결정되었을 때의 배터리의 충전 상태를 의미한다. 실시예에서, 충전 상태를 결정하기 위하여 상기 수집된 입력들을 처리하는 것은 상기 입력 값들을 동적 고속 충전 모듈(101)의 메모리 모듈(205) 안에 저장된 적어도 하나의 참조 데이터와 비교하는 것을 포함한다. 배터리의 현재 충전 상태에 대한 상기 참조 데이터는 전기기계적인 모델 및/또는 적어도 하나의 그런 적절한 메커니즘에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 결정된 배터리의 현재 충전 상태와 일치하는 고속 충전 프로파일은 동적 고속 충전 모듈(101)의 컷오프 선택 모듈(203)에 의하여 결정될 수 있다(306). 고속 충전 프로파일은 배터리(102)의 상기 현재 충전 상태와 일치하는 컷오프 전압 값(즉, 동적 컷오프 전압)을 가질 수 있다. 실시예에서, 상기 고속 충전 프로파일을 결정하는 것은 상기 입력 값들을 동적 고속 충전 모듈(101)의 메모리 모듈(205) 안에 저장된 적어도 하나의 참조 데이터와 비교하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 결정된 고속 충전 프로파일과 일치하는 동적 컷오프 전압 값은 컷오프 전압 선택 모듈(203)에 의하여 결정될 수 있다(308). 실시예에서, 상기 고속 충전 프로파일과 일치하는 컷오프 전압 값에 관계된 정보는 고속 충전 프로파일 내에서 개시될 수 있다. 다른 실시예에서, 메모리 모듈(205)은 각각의 고속 충전 프로파일과 일치하는 컷오프 전압 값을 명시하는 개별적인 데이터베이스를 보유할 수 있다. 이 시나리오에서, 상기 컷오프 전압 값을 결정하는 것은 고속 충전 프로파일 정보를 메모리 모듈(205) 안에 저장된 적어도 하나의 참조 데이터와 비교하는 과정을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 선택된 고속 충전 프로파일과 일치하는 상기 컷오프 전압 값은 ‘n’개의 주기 동안 배터리의 용량에 관한 상기 컷오프 전압 값의 영향을 확인함으로써 결정된다. 여기에서, 'n' 의 값은 실험 기준에 따라 달라질 수 있다.
충전부(204)는 전류 및/또는 전압을 인가함으로써 배터리(102)를 충전할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 전압을 인가하여 배터리(102)를 충전하는 동안에 충전 모듈(204)은 다양한 단계들에서 전압을 인가할 수 있다. 이때, 각각의 단계에서 인가되는 전압의 양은 배터리(102)의 충전 상태에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 충전될 배터리(102)의 현재 충전 상태에 기초하여, 전압의 임계값이 결정된다. 또한, 전압의 값은 전류가 배터리(102)의 상태에 악영향을 줄 수 있는 한계를 초과하지 않도록 가능한 최소 수준(즉, 첫 번째 최소 전압)에서 선택된다. 다음 단계에서, 상기 인가된 전압의 값은 전압이 인가될 때 생성되는 전류가 배터리(102)의 상태에 악영향을 주지 않는 가능한 최대 전류를 초과하지 않도록 상기 첫 번째 최소 전압 값으로부터 상기 전압의 더 높은 값까지 미리 정의된 값만큼 증가된다. 이러한 프로세스는 상기 생성된 전류 값이 가능한 최대 전류 값을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 결정된 전압의 임계값까지 배터리가 충전될 때까지 반복된다. 만약, 어느 시점에서 인가되고 있는 전압의 생성된 전류가 가능한 최대 전류 값을 초과함을 충전부(204)가 인지한다면, 생성된 전류가 상기 가능한 최대 전류 값을 초과하지 않는 수준(바람직하게는 이전의 가장 높은 전압 값)으로 전압이 감소된다. 실시예에서, 어느 단계에서든지, 전압은 첫 번째 최소 전압을 참조로 유지함으로써 특정 값만큼 증가된다.
또한, 상기 결정된 컷오프 전압 값에 기초하여, 배터리(102)는 충전부(204)에 의하여 충전된다(310). 본 방법(300)에서의 다양한 동작들은 제시된 순서대로, 또는 그와 다른 순서로, 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 도 3에 열거된 어떤 동작들은 생략될 수 있다.
도 4는 실시예들에 개시된 바와 같이, 동적 고속 충전 시스템을 사용하여, 전압 단계 값들을 결정하는 프로세스에 포함된 단계들을 도시하는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 전압 단계 값들을 결정하는 방법(400)은 다음과 같을 수 있다.
동적 컷오프 전압이 결정되고 나면, 충전부(204)는 배터리(102)의 현재 충전 상태와 일치하는 다단계 점증식 정전압(MSCV: multi step constant voltage, 이하, "MSCV"라고 함) 프로파일을 획득할 수 있다(402). 실시예에서, MSCV 프로파일은 배터리(102)를 충전하기 위하여 인가되는 전압을 명시할 수 있다.
충전부(204)는 MSCV 프로파일에 명시된 전압을 배터리(102)에 인가할 수 있다(404). 충전부(204)는 전압을 인가한 후, 잔여 용량이 동적 컷오프 전압 값 이상인지 확인할 수 있다(406). 만약, 잔여 용량이 동적 컷오프 전압 값 이상이면, 충전부(204)는 충전 프로세스를 종료할 수 있다(408). 만약, 잔여 용량이 동적 컷오프 전압 값 미만이면, 충전부(204)는 전압을 한 단계(현재 충전 상태에 기초하여 미리 설정된 것)만큼 증가시키고, 배터리(102)를 충전하기 위하여 새로운 전압을 인가할 수 있다. 상기 프로세스는 배터리 충전이 동적 컷오프 전압 값에 도달할 때까지 반복될 수 있다.
전술한 방법(400)에서의 다양한 동작들은 제시된 순서대로, 또는 그와 다른 순서로, 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 도 4에 열거된 어떤 동작들은 생략될 수 있다.
도 5a 내지 5g는 실시예들에 개시된 바와 같이, 배터리의 고속 충전에 기초한 MSCV와 관련된 다양한 값들을 나타낸 그래프이다.
고속 충전 메커니즘의 효율성을 설명하는 실험적 세부 사항들은 아래와 같을 수 있다.
용량이 300mAh인 배터리(예를 들어, 갤럭시 기어(galaxy gear) 배터리)를 충전하는 실험이 수행되었다. 먼저, 도 5a(전류 대 시간의 그래프)에 도시된 바와 같이, MSCV 유형으로 배터리를 충전함으로써 상기 방법의 타당성 검증이 수행된다.
전압은 3.6V부터 4.2V까지 0.1V씩 단계별로 증가하고, 전류는 각 단계에서 0.12A(0.4C) 미만으로 감소하도록 한다. 도 5a는 배터리의 전체 충전이 기존의 0.7C CC-CV 충전 프로토콜에 의한 2.5시간보다 훨씬 적은 약 3,200초 동안 이루어지는 것을 보여준다. 이는, 배터리의 성공적인 고속 충전을 나타낸다.
300mAh 배터리의 고속 충전에서, 전압은 최초 전압 3.26V에서 3.9V까지 증가하고, 4.1V까지는 0.1V씩 단계별로 증가하며, 전류는 각 단계 동안 0.75C만큼 감소하게 된다. 이어서 4.1V부터 4.2V까지는, 도 5b(최초 충전에 대한 전류 대 시간 프로파일)에 도시된 바와 같이, 전압이 0.05V씩 단계별로 증가하고, 전류가 0.05C만큼 감소한다. 이러한 결과는, 프로파일이 배터리를 78.6분 안에 완전히 충전할 수 있음을 나타내며(도 5c에 도시된 바와 같이), 0.7C CC-CV 충전의 경우 150분이 소요되는 것과 비교된다. 또한, 1C 정전류 방전이 뒤따르는 상기 제안된 고속 충전 프로파일에 대하여 500회 동안 주기적 시뮬레이션을 수행하기 위하여 전기화학적 모델을 사용한다. 상기 제안된 프로파일은 500회 후 잔여 용량 80%를 가지는 기존의 표준을 만족시키는 것으로 밝혀졌으며, 그 결과는 아래 표 1에 정리하였다. 또한, 상기 결과는 MSCV 유형의 충전을 통해, 배터리의 C 레이트 감소가 주기적으로 발생됨을 나타내며, 이는 도 5d를 통해 확인할 수 있다.
수명 연장 충전 프로토콜에서, 전압은 최초 전압 3.26V에서 3.9V까지 증가하고, 4.1V까지는 0.1V씩 단계별로 증가하며, 전류는 각 단계 동안 0.4C만큼 감소하게 될 수 있다. 이어서, 4.1V부터 4.2V까지는, 도 5e에 도시된 것과 같이, 전압이 0.1V씩 단계별로 증가하고, 전류가 0.05C만큼 감소할 수 있다. 이 결과는 프로파일이 배터리(102)를 97.9분 안에 완전히 충전할 수 있음을 나타내며(도 5에서 용량 대 시간 그래프 참조), 0.7C CC-CV 충전의 경우 150분이 소요되는 것과 비교될 수 있다. 수명 연장 프로토콜의 주기적 시뮬레이션을 500회 수행한 후에 87.6%의 잔여 용량이 관찰되었다. 이 프로파일은 또한 수명 연장을 도와주는 반복(cycling)에 의하여 감소된 전류의 크기(도 5g에 도시된 바와 같이)를 보여준다.
상기 전류 프로파일들에서의 컷오프 전압의 값은 수명 및/또는 열적 기준들을 만족시키기 위하여 점진적으로 증가될 수 있다. 이는 컷오프 전압을 감소시킴으로써 높은 충전 전류 비율의 악영향 정도를 최적화하기 위하여 수행되는 것이다. 상기 두 가지 프로파일들의 세부 사항이 그들의 성능과 함께 표 1에 요약되어 있다.
S.no 프로파일 500회 후의 잔여용량
(%)		 최초 및 최종 충전 시간 (분) 프로파일 유형 50% 용량에 대한 최초 및 최종 충전 시간 (분) 80% 용량에 대한 최초 충전 시간 (분)
1 프로파일1 80.16 78.6
78.1		 FCA 21.2 40.7
2 프로파일2 87.62 97.9
102.4		 수명연장 48.3 68.7
3 1C CC-CV 79.96 79.3
76.8		 참조프로파일 29.9
30.3		 63.5
상기 실험 결과는 MSCV 프로파일이
- 충전 시간을 감소시키고,
- 배터리의 수명을 연장시키며,
- 전류의 크기를 감소시키는 것을 나타낸다.
상기 MSCV 프로파일의 스펙은 배터리의 고속 충전으로 귀결된다. 또한, 배터리의 수명을 증가시키고 품질 저하를 최소화할 수 있다. MSCV 프로파일 기반의 충전은 충전 상태 추정기(state-of-charge estimator)를 이용하지 않고도 배터리 충전을 최적으로 지원할 수 있다. 또한, MSCV 기반의 충전은 하드웨어 제어의 변경을 최소화할 수 있다. MSCV 기반의 충전은 모든 단계들이 CV 단계이기 때문에, CC와 CV 사이에 별도의 동작 모드가 필요없다. 아울러, MSCV 기반의 충전은 각 단계의 상태 추정이 용이하며, 이는 각 단계가 정전압 및 용량(즉, 현재 충전 상태)에 의해 특정지어지기 때문이다.
가변 컷오프 전압(VCV: variable cutoff voltage) 기반의 충전
이하, 가변 컷오프 전압을 가지는 전류 기반의 충전 프로파일과 관련된 실험 데이터를 포함하는 정보를 제공한다.
도 6a 내지 6c는 실시예들에 개시된 바와 같이, 배터리의 고속 충전에 기초한 가변 컷오프 전압(VCV: variable cut-off voltage)과 관련된 다양한 값들을 나타낸 그래프이다.
이 실험은 CN 리튬폴리머(LiPo) 300mAh(갤럭시 기어와 같은 배터리)에 대하여 수행되었다. 먼저, 충전 시간의 변화를 최소화하면서 1C 방전이 뒤따르는 500회의 1C CC-CV 충전 후에 배터리가 80% 잔여 용량을 가지도록 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 이용한 열화 파라미터 조정이 이루어진다. 이에 따라, 배터리에 대한 다단계 전류 프로파일이 얻어진다. 이어서, 도면에 도시된 절차에 따라 가변 컷오프 전압 프로파일이 얻어진다. 가변 컷오프 전압 프로파일의 세부 사항이 그들의 성능과 함께 표 2에 요약되어 있다.
이름 프로파일 500회 후의 잔여용량 (%) 최초 충전 시간 (분) 500회 후의 충전 시간 (분) 최대 온도 상승 (℃/K)
일반적인 다단계 정전류(Normal MSCC) 1.54C - 0.9C - 0.56C - CV 76.4 77.4 83.7 6.6
가변 컷오프 전압 정전류(VCV MSCC) 1.54C(4.25V) - 0.9C(4.35V) - 0.56C(4.35V) - CV 80.8 79.7 82.8 3.75
도 6a 내지 도 6 c를 참조하면, 실험 결과는 상기 가변 컷오프 전압 프로파일 기반의 충전이 충전 시간을 감소시키고, 수명을 확장하며, 온도 상승을 감소시킨다는 것을 나타낸다. 이는 다음의 장점들을 가질 수 있다.
- 고속 및/또는 수명 연장 및/또는 온도 완화 충전 프로파일들이 생성될 수 있다.
- 이 방법은 배터리 화학에 대한 충전 프로파일을 얻기 위하여 사용될 수 있다.
- 이 방법은 배터리의 초기 충전 상태의 변화를 고려하도록 확장될 수 있다.
- 이 방법은 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)의 충전 제어 모듈에서 쉽게 구현될 수 있다.
- 이 방법은 약 79.77분 안에 충전하는 충전 프로파일을 제안한다. 이는 종래의 충전 알고리즘(충전 시간 = 150분)과 비교하였을 때 충전 시간을 47% 감소시킨다.
여기에 개시된 실시예들은 적어도 하나의 하드웨어 장치에서 동작하고 네트워크 구성요소들을 제어하는 네트워크 관리 기능들을 수행하는 적어도 하나의 소프트웨어 프로그램을 통하여 구현될 수 있다. 도 1에 표시된 네트워크 구성요소들은 적어도 하나의 하드웨어 장치 또는 하드웨어 장치와 소프트웨어 모듈의 조합이 될 수 있는 블록들을 포함한다.
여기에 개시된 실시예들은 동적 컷오프 전압에 기초하여 배터리의 고속 충전을 위한 메커니즘을 명시한다. 상기 메커니즘은 컷오프 전압 값의 동적 결정을 허용하고, 그의 시스템을 제공한다. 따라서 보호 범위는 그러한 시스템 및 메시지를 가지는 컴퓨터 판독 가능한 수단에까지 확장됨을 알 수 있으며, 상기 컴퓨터 판독 가능한 수단은 프로그램이 서버 또는 모바일 장치 또는 그 밖의 적절한 프로그래머블 장치에서 실행될 때 상기 방법의 하나 이상의 단계들을 구현하기 위한 프로그램 코드를 포함하고 있다. 상기 방법은 예를 들어 초고속 집적 회로 하드웨어 기술 언어(VHDL: very high speed integrated circuit hardware description language)로 쓰이거나 다른 프로그래밍 언어로 쓰인, 또는 하나 이상의 VHDL에 의하여 구현되거나 적어도 하나 이상의 하드웨어 장치에서 실행되고 있는 여러 소프트웨어 모듈들에 의하여 구현되는 소프트웨어 프로그램과 함께 상기 시스템을 사용하는 바람직한 실시예에서 구현된다. 상기 하드웨어 장치는 예를 들어 서버나 퍼스널 컴퓨터(PC)와 같은 일종의 컴퓨터 등 또는 그들의 조합(예컨대, 하나의 프로세서와 두 개의 FPGA(field programmable gate array))을 포함하여 프로그램될 수 있는 일종의 장치일 수 있다. 또한, 상기 장치는 예를 들어 ASIC, 하드웨어와 소프트웨어 수단의 조합, ASIC(application specific integrated circuit)과 FPGA의 조합, 또는 적어도 하나의 마이크로프로세서와 소프트웨어 모듈들을 구비한 적어도 하나의 메모리의 조합과 같은 하드웨어 수단이 될 수 있는 수단을 포함할 수 있다. 따라서 상기 수단은 적어도 하나의 하드웨어 수단이거나 또는 적어도 하나의 하드웨어 겸용 소프트웨어 수단이다. 여기에 개시된 방법 실시예들은 순수 하드웨어에서 또는 부분적인 하드웨어와 부분적인 소프트웨어에서 구현될 수 있다. 대안적으로, 실시예는 다른 하드웨어 장치들(예컨대, 다수의 CPU들을 사용하는)에서 구현될 수 있다. 구체적인 실시예들에 대한 이상의 설명은 통상의 기술자가 통상의 지식을 적용하여 포괄적인 개념으로부터 벗어나지 않고 상기 실시예들을 쉽게 변형하거나 다양한 적용들에 적합하게 할 수 있도록 본 실시예들의 일반적 본질을 충분히 드러내고 있을 것이다. 따라서 그러한 적용들과 변형들은 개시된 실시예들의 균등물의 의미와 범위 내에서 이해될 것이고 이해되어야 한다. 여기에 사용된 어구 또는 용어는 설명의 목적을 위한 것일 뿐 한정을 위한 것이 아님을 이해하여야 한다. 따라서 실시예들은 바람직한 실시예의 측면에서 설명되었지만, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 실시예들은 여기에 개시된 실시예들의 의미와 범위 내에서 변형되어 실행될 수 있다고 인식할 것이다.
100: 동적 고속 충전 시스템
101: 동적 고속 충전 모듈
102: 배터리

Claims (14)

  1. 배터리를 충전하는 전자 장치에 있어서,
    메모리; 및
    상기 메모리와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하고;
    상기 메모리는, 실행 시에, 상기 프로세서가
    상기 배터리의 현재 충전 상태를 동적으로 식별하는 동작;
    상기 배터리의 상기 현재 충전 상태에 대응하는 적어도 하나의 충전 프로파일을 결정하는 동작;
    상기 충전 프로파일과 대응하는 동적 컷오프 전압을 결정하는 동작; 및
    상기 동적 컷오프 전압에 기초하여 상기 배터리를 충전하는 동작을 수행하는 명령들을 포함하고,
    상기 프로세서가 상기 동적 컷오프 전압에 기초하여 상기 배터리를 충전하는 동작은, 복수의 서로 다른 단계로 구분하여 전압을 인가하되, 상기 복수의 서로 다른 각 단계별로 인가되는 전압을 동적으로 가변하는 동작으로서,
    최초 충전 전압이 지정된 제1 전압 미만인 것에 기반하여, 상기 배터리에 인가되는 충전 전압을 상기 최초 충전 전압으로부터 상기 제 1 전압에 이르기까지 제 1 증분 간격으로 단계적으로 증가시키는 동작, 및
    상기 충전 전압이 상기 최초 충전 전압으로부터 상기 제 1 전압에 도달한 것에 기반하여, 상기 충전 전압을 상기 제 1 전압으로부터 지정된 제 2 전압에 이르기까지 제 2 증분 간격으로 단계적으로 증가시키는 동작을 포함하고,
    상기 제 1 증분은 상기 제 2 증분보다 크고,
    상기 충전 전압이 단계적으로 증가하는 것에 연동하여 전류량을 감소시키는 동작을 더 포함하는,
    전자 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는
    입출력 인터페이스를 이용해 상기 배터리로부터 적어도 하나의 배터리 파라미터를 수집하는 동작,
    상태 평가 모듈을 이용해 상기 적어도 하나의 배터리 파라미터를 상기 배터리의 충전 상태에 관계된 적어도 하나의 참조 데이터베이스와 비교하는 동작,
    상기 상태 평가 모듈을 이용해 상기 적어도 하나의 배터리 파라미터의 값과 일치하는 상기 참조 데이터베이스 내의 적어도 하나의 값을 식별하는 동작, 및
    상기 상태 평가 모듈을 이용해 상기 식별된 값에 대응하는 충전 상태를 식별하는 동작 중에서 적어도 하나를 수행하여,
    상기 배터리의 상기 현재 충전 상태를 식별하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 각 단계별로 인가되는 전압을 동적으로 가변하는 동작은,
    충전부를 이용해 충전의 첫 단계에서 제1 최소 전압 값을 인가하는 동작, 및
    상기 충전부를 이용해 이전 단계로부터 다음 단계로 진행할수록 미리 설정된 값만큼 인가되는 전압값을 증가시키는 동작을 포함하고,
    적어도 하나의 특정 단계에서 상기 충전부를 이용해 인가되는 전압에 기인한 전류는 최대 허용 전류 값을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 각 단계별로 인가되는 전압을 동적으로 가변하는 동작은,
    상기 충전부를 이용해 상기 배터리의 현재 충전 상태와 일치하는 다단계 점증식 정전압(MSCV: multi step constant voltage)을 획득하는 동작,
    상기 다단계 점증식 정전압에 대응하는 전압을 배터리에 인가하는 동작,
    상기 배터리의 잔여 용량과 상기 동적 컷오프 전압을 비교하는 동작, 및
    상기 배터리의 잔여 용량이 상기 동적 컷오프 전압보다 같거나 크면 충전을 종료하고, 상기 배터리의 잔여 용량이 상기 동적 컷오프 전압보다 작으면 상기 충전부로부터 인가되는 전압값을 한 단계 증가시키는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류가 이전 단계로부터 다음 단계로 진행하면서 감소되는 양은 0.12A(0.4C)보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  8. 전자 장치가 배터리를 충전하기 위한 방법에 있어서,
    상기 배터리의 현재 충전 상태를 동적으로 식별하는 동작;
    상기 배터리의 상기 현재 충전 상태와 일치하는 적어도 하나의 충전 프로파일을 결정하는 동작;
    상기 충전 프로파일과 일치하는 동적 컷오프 전압을 결정하는 동작; 및
    상기 동적 컷오프 전압에 기초하여 상기 배터리를 충전하는 동작을 포함하고,
    상기 동적 컷오프 전압에 기초하여 상기 배터리를 충전하는 동작은, 복수의 서로 다른 단계로 구분하여 전압을 인가하되, 상기 복수의 서로 다른 각 단계별로 인가되는 전압을 동적으로 가변하는 동작으로서,
    최초 충전 전압이 지정된 제1 전압 미만인 것에 기반하여, 상기 배터리에 인가되는 충전 전압을 상기 최초 충전 전압으로부터 상기 제 1 전압에 이르기까지 제 1 증분 간격으로 단계적으로 증가시키는 동작, 및
    상기 충전 전압이 상기 최초 충전 전압으로부터 상기 제 1 전압에 도달한 것에 기반하여, 상기 충전 전압을 상기 제 1 전압으로부터 지정된 제 2 전압에 이르기까지 제 2 증분 간격으로 단계적으로 증가시키는 동작을 포함하고,
    상기 제 1 증분은 상기 제 2 증분보다 크고,
    상기 충전 전압이 단계적으로 증가하는 것에 연동하여 전류량을 감소시키는 동작을 더 포함하는,
    방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리의 상기 현재 충전 상태를 식별하는 동작은
    상기 배터리로부터 적어도 하나의 배터리 파라미터를 수집하는 동작;
    상기 적어도 하나의 배터리 파라미터를 상기 배터리의 충전 상태에 관계된 적어도 하나의 참조 데이터베이스와 비교하는 동작;
    상기 적어도 하나의 배터리 파라미터의 값과 일치하는 상기 참조 데이터베이스 내의 적어도 하나의 값을 식별하는 동작; 및
    상기 식별된 값에 대응하는 충전 상태를 식별하는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 각 단계별로 인가되는 전압을 동적으로 가변하는 동작은,
    충전의 첫 단계에서 제1 최소 전압 값을 인가하는 동작, 및
    이전 단계로부터 다음 단계로 진행할수록 미리 설정된 값만큼 인가되는 전압값을 증가시키는 동작을 포함하고,
    적어도 하나의 특정 단계에서 인가되는 전압에 기인한 전류는 최대 허용 전류 값을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 단계별로 인가되는 전압을 동적으로 가변하는 동작은,
    상기 배터리의 현재 충전 상태와 일치하는 다단계 점증식 정전압(MSCV: multi step constant voltage)을 획득하는 동작,
    상기 다단계 점증식 정전압에 대응하는 전압을 배터리에 인가하는 동작,
    상기 배터리의 잔여 용량과 상기 동적 컷오프 전압을 비교하는 동작, 및
    상기 배터리의 잔여 용량이 상기 동적 컷오프 전압보다 같거나 크면 충전을 종료하고, 상기 배터리의 잔여 용량이 상기 동적 컷오프 전압보다 작으면 충전부로부터 인가되는 전압값을 한 단계 증가시키는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 삭제
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리에 인가되는 전류가 이전 단계로부터 다음 단계로 진행하면서 감소되는 양은 0.12A(0.4C)보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
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