KR20050005554A - 재충전 가능한 배터리용 충전기 - Google Patents

Abstract

재충전 가능한 배터리 및/또는 배터리 팩을 충전하기 위한 배터리 충전기가 개시된다. 바람직하게, 충전기는 배터리를 충전하는 두 개의 모드를 적용할 수 있다. 정상 충전 모드에서, 배터리는 낮은 율에서 충분한 정전용량으로 충전된다. 부스트 충전 모드에서, 배터리는 매우 신속하게 충전되며, 바람직하게는 그 최대 정전용량의 75%와 같은 특정한 정도로만 충전된다. 부스트 충전 모드는 충전에 이용 가능한 시간이 제한될 때 얼마간의 충전을 배터리에 제공할 수 있다. 부스트 충전 방법은 매우 높은 초기 충전 전류(I_init)를 기반으로 한다. 초기 전류(I_init)는 미리 결정된 최대 충전 전압(V_max)이 거의 즉시 도달되도록 선택된다. 그러면, 충전 전류는 충전 전압(V_charge)이 최대 충전 전압(V_max)에서 거의 일정하게 유지되도록 감소된다.

Description

재충전 가능한 배터리용 충전기{CHARGER FOR RECHARGEABLE BATTERIES}

재충전 가능한 배터리와 재충전 가능한 배터리 팩은 현대에 널리 사용된다. 이동전화, 배터리로 동작하는 전기면도기, 배터리 전원 차량, 전기기구 등과 같은 많은 장치에 이러한 배터리가 장착되어 있다.

재충전 가능한 배터리와 배터리 팩은 때때로 재충전될 필요가 있다. 재충전 가능한 배터리를 재충전하기 위해 사용될 수 있는 여러 충전기 유형이 있다. 공통 충전기 유형은 배터리의 전체 충전 프로세스에 걸쳐서 일정한 전류 레벨(CC)을 사용한다. 이러한 유형의 고속 충전기는 배터리가 완전히 충전될 때까지 높고 일정한 전류를 사용한다. 충전기의 전기 유닛은 충전의 끝을 검출하고, 충전 전류를 차단하는데 사용된다.

상술된 CC-충전기는 예컨대 NiCd(Nickel-Cadmium: 니켈-카드뮴) 및 NiMH(Nickel-Metal-Hydride: 니켈-금속-하이브리드) 배터리와 같은 것을 충전하는데 유용하다. 이들 배터리를 사용하여, 충전의 끝 상태가 배터리 온도의 갑작스런 상승 및 배터리 단자 전압의 강하로서 검출될 수 있다.

(리튬-이온, 리튬-폴리머 및 리튬 고체상태 배터리를 포함한) 리튬 배터리는 전술된 유형의 고속 충전기에 의해 충전될 수 없으며, 이는 리튬 배터리가 충전의 끝에 대해 상술된 지시를 제공할 수 없고, 최대 전압이 리튬 배터리에 대한 손상을 피하기 위해 제어되어야 하기 때문이다.

Ostergaard 등에게 양도된 미국특허 제 5,994,878호는 리튬 배터리를 포함하는 서로 다른 유형의 배터리를 처리할 수 있는 충전기를 기술한다. 충전기는 먼저 배터리를 일정한 전류 모드로 충전하고, 그런 다음, 일정한 전압 모드로 충전한다(일정한 전류 이후 일정한 전압 충전=CCCV: Constant Current then Constant Voltage charging). 충전 프로세스의 제 1 단계 동안, 충전기는 일정한 충전 전류 제어 모드 상태이다. 충전 전류는 프리셋 레벨에서 제어되며, 충전 전압이 모니터링된다. 충전 전압이 특정한 프리셋 레벨에 도달할 때, 충전 프로세스는 일정한 충전 전압 제어 모드로 진입한다. 이 모드에서, 충전 전압은 대체로 일정하게 유지되는 반면, 충전 전류는 감소된다. US 5,994,878호에 기술된 충전 프로세스는 그러나 느리며, 배터리의 고속 충전을 허용하지 않을 것이다.

본 발명은 재충전 가능한 배터리나 재충전 가능한 배터리 팩과 같은 재충전 가능한 유닛을 충전하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 재충전 가능한 배터리나 재충전 가능한 배터리 팩과 같은 재충전 가능한 유닛을 충전하기 위한 충전기에 관한 것이며, 상기 충전기는 재충전 가능한 유닛에 충전 전류를 공급하기 위한 공급 유닛과, 공급 유닛을 재충전 가능한 유닛에 연결하기 위한 단자와, 공급 유닛에 의해 공급된 전류를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 충전기의 개략도.

도 2는 부스트 충전 및 정상 충전의 충전 원리를 도시한 도면.

도 3은 부스트 충전 및 정상 충전동안 배터리의 용량 증가를 도시한 도면.

도 4는 다른 초기 충전 전류 및 다른 최종 전하 깊이에서 빈 배터리에 대한 충전 시간을 도시한 도면.

본 발명의 목적은 리튬 배터리를 포함한 충전 배터리를 고속으로 충전할 수 있는 충전 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 리튬 배터리를 포함한 충전 배터리를 고속으로 충전할 수 있는 충전기를 제공하는 것이다.

앞서 기재된 충전 방법은

- 재충전 가능한 유닛이 공급 유닛에 연결되는 단계와;

- 공급 유닛이 전류를 재충전 가능한 유닛에 공급하는 단계와;

- 충전 전압이 충전하는 동안 모니터링되는 단계와;

- 충전 프로세스의 시작에서 재충전 가능한 유닛에 공급된 초기 전류는, 충전 전압이 거의 즉시 미리 결정된 최대 충전 전압에 도달하도록 선택되는 단계와;

- 후속하여, 전류는 충전 전압이 충전 프로세스 동안 최대 충전 전압에서 거의 일정하게 유지되도록 감소되는 단계를 특징으로 한다.

상술된 충전 방법은 리튬 배터리를 포함한 서로 다른 유형의 배터리와 배터리 팩을 고속-충전할 수 있다. 초기 충전 전류는 정상 충전에 비해 높으므로, 충전 전압은 거의 즉시 그 미리 결정된 최대 레벨로 증가한다. 그 결과, 충전 전류 및 그리하여 충전율은 배터리의 내부 임피던스에 의해서만 결정되어 매우 짧은 충전 시간을 초래한다. 그에 따라, 배터리는 모든 충전 절차에 걸쳐서 최대 충전 전압에 대한 한계 내에서 가장 높은 가능한 전류로 충전될 것이다. 이것은 충전의 초기 단계들에서 높은 전류를 허용하여, 특히 빈 배터리를 충전하는 초기 단계에서 결국 매우 빠른 충전을 초래한다. 이것이 매우 중요한 장점을 갖는 전형적인 경우는, 막자신의 집을 떠나려고 하는 사용자가 예컨대 이동 전화나 면도기의 배터리가 비어있음을 발견할 때이다. 상술된 방법에 따라 단지 몇 분을 충전함으로써, 사용자는 예컨대 하루 동안에 자신이 필요로 하는 충분한 배터리 충전을 얻을 수 있다. 또 다른 예는 하이브리드 전기 차량{H(EV)}, 및 특히 전기 차량이다. 차량의 배터리가 비어있음을 발견한 사용자는 집까지 타고 가기에 충분하게 매우 짧은 시간 내에 배터리를 충전할 수 있다.

제 2항에 기술된 방법은 거의 완전한 충전이 미리 결정된 최대 전압에서 발생한다는 장점을 갖는다.

제 3항에 기술된 방법은, 인가된 전류가 높아서 전압이 거의 즉시 최대 충전 전압까지 증가하며, 거의 완전한 충전이 미리 결정된 최대 전압에서 발생하여, 결국 특히 빈 배터리나 배터리 팩을 충전하는 초기 단계에서 매우 높은 충전 전류를 초래한다는 장점을 갖는다.

바람직하게, 재충전 가능한 유닛은 그 최대 성능의 최대 75%까지 충전되며, 그러면, 충전 프로세스는 중단된다. 종래기술의 고속 충전기는 배터리의 재사용 수명(cycle life), 즉 배터리가 재충전될 수 있는 횟수를 상당히 감소시키는 단점을 갖는다. 부분적인 충전과 연계한 상술된 본 발명의 방법은 종래기술의 고속 충전보다 훨씬 적게 재사용 수명에 영향을 미칠 것이다. 부분적인 충전의 추가적인 장점은 최대 충전 전압이 정상 충전에 비해 증가될 수 있다는 점이다. 배터리는 충전의 초기 단계들에서, 즉 전하의 깊이(depth)가 다소 낮을 때 및 전류가 높을 때 높은 전압에 덜 민감하게 됨이 발견되었다. 부분적인 충전을 사용함으로써, 높은 전압에대한 민감도가 더 큰 충전의 추후 단계가 생략될 수 있다. 증가된 전압은 추가로 충전 시간을 감소시킨다.

바람직하게, 충전될 재충전 가능한 유닛의 전하의 초기 깊이는 충전이 시작하기이전에 또는 충전 프로세스의 시작 시에 측정되며, 만약 재충전 가능한 유닛이 미리 결정된 전하의 최대 초기 깊이보다 더 높은 전하의 초기 깊이를 갖게 됨이 발견된다면 충전은 정지된다. 이것은 충분히 또는 거의 충분히 충전된 배터리, 또는 배터리 팩의 상술된 본 발명의 방법에 따른 충전이 피해진다는 장점을 갖는다. 이러한 충전은 배터리나 배터리 팩의 재사용 수명을 감소시킨다. 그에 따라, 사용자는 초기 전하 깊이를 인식하지 않고, 배터리에 손상시킬 위험 없이, 또는 그 재사용 수명을 상당히 감소시키지 않고도 언제나 고속 충전 프로세스를 시작할 수 있으며, 이는 배터리가 이미 충분히 또는 거의 충분히 충전된다면 충전이 정지될 것이기 때문이다.

상술된 방법은 리튬 배터리를 포함하는 재충전 가능한 유닛을 충전하기 위한 특정한 장점을 갖는다. 현재, 리튬 배터리에 대해 양호하게 동작하는 고속 충전 방법 전혀 없다. 본 발명에 따른 방법은 리튬 배터리를 고속으로 충전할 수 있다.

앞서 기재된 충전기는, 충전기가:

- 충전 전압을 모니터링하기 위한 수단과;

- 재충전 가능한 유닛의 충전 프로세스의 시작 시에 초기 충전 전류를 공급하기 위한 수단으로서, 초기 충전 전류는 재충전 가능한 유닛에 공급된 충전 전압이 거의 즉시 미리 결정된 최대 충전 전압에 도달하도록 선택되는, 초기 충전 전류공급 수단과;

충전 전압이 충전 프로세스 동안에 최대 충전 전압에서 거의 일정하게 유지되도록 전류를 감소시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 유형의 충전기는 리튬 배터리를 포함하는 모든 배터리 및 배터리 팩 유형을 고속 충전할 수 있다. 충전 전압이 그 미리 결정된 최대값까지 증가한다는 사실은 특히 충전의 초기 단계에서 고속 충전을 초래하며, 이는 충전 전류가 높기 때문이다.

제 8항에 따른 방법은 충전기의 사용자가 본 상황에 적합한 충전 모드를 선택할 수 있다는 장점을 갖는다. 만약 사용자가 바쁘다면, 사용자는 예컨대 대응하는 버튼을 누름으로써 부스트 충전을 선택한다. 만약 충전할 시간이 많다면, 사용자는 또 다른 버튼을 눌러 정상 충전을 선택한다.

바람직하게, 제어 유닛은 충전하는 동안 재충전 가능한 유닛의 전하 깊이를 측정하기 위한 수단과, 미리 결정된 전하 깊이에서 충전 절차를 중단하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 장점은 특정한 전하 깊이, 즉 충전된 용량이 부스트 충전 모드와 관련될 수 있다는 점이다. 이것은 단지 부분적으로 배터리나 배터리 팩을 충전할 수 있어서, 그에 따라 배터리의 재사용 수명에 대한 부스트 충전의 악영향을 피한다. 또한, 최종 사용자에게 편리할 것으로 고려되는 전하 깊이까지 충전하기 위해 프리셋된 부스트 충전 모드를 갖는 충전기를 제조하는 것이 가능하다.

제 10항에 따른 방법은 충전 프로세스를 중단하는 간단한 방식을 제공한다. 타이머 기능은 싸고, 간단하여 충전을 제어하는 제어 유닛에 포함되며, 충전 프로세스를 중단하는 안전한 방법을 제공한다. 타이머 기능은 충전 방법을 최종 사용자가 사용하고 이용하기 쉽게 한다는 점에서 유익하다(pedagogic).

본 발명의 이들 및 다른 양상은 후술된 실시예로부터 분명해질 것이며, 실시예를 참조하여 설명될 것이다.

본 발명은 이후에 좀더 상세하게 기술될 것이며 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.

배터리 충전을 논의할 때, 표현, C-율이 종종 사용된다.

1 C-율은 1 시간 동안 빈 배터리를 그 최대 정전용량 까지 충전하는데 필요한 충전 전류이다. 각 배터리 정전용량에서, 특정한 C-율은 특정한 전류를 의미한다.

본 출원에서 사용된 표현, "부스트 충전"은 배터리를 충전하여 배터리에 정전용량을 고속으로 추가하기 위한 충전 방법을 의미한다.

본 출원에서 사용된 표현, "정상 충전"은 다소 낮은 율로 배터리를 그 최대정전용량까지 충전하기 위한 충전 방법을 의미한다.

본 출원에서 사용된 용어, "재사용 수명(cycle life)"은 배터리가 폐기되어야 하기 이전에 재충전될 수 있는 횟수를 지칭한다. 긴 재사용 수명은 배터리가 많은 횟수로 재충전될 수 있음을 의미한다.

본 출원에서, "전하의 깊이(DoC: Depth of Charge)"는 배터리의 충전된 정전용량을 지칭한다. 100%의 DoC는 배터리가 그 최대 정전용량까지 충전되었음을 의미한다.

도 1에서, 배터리 충전기(1) 형태의 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 배터리 충전기(1)는 원하는 전압 및 전류를 공급하도록 적응된 충전 전류 공급 유닛(2)을 갖는다. 전기 케이블(3, 4) 형태의 단자는 충전기(1)를 충전될 배터리(5)에 연결한다. 바람직하게, 케이블(3, 4)은 전압을 감지하기 위한 감지 리드선과 전류 리드선으로 각각 분할된다. 배터리 충전기(1)는 공급 유닛(2)에 의해 배터리(5)에 공급된 전압 및 전류를 제어하는 제어 유닛(6)을 갖는다. 제어 유닛(6)에는 배터리(5)의 정상 충전을 활성화하기 위해 도 1에 7로서 개략적으로 표시된 제 1 제어 버튼을 포함하는 선택기가 제공된다. 선택기는 배터리(5)의 부스트 충전을 활성화하기 위해 도 1에 8로 개략적으로 표시된 제 2 제어 버튼을 더 포함한다.

정상 충전은 충전기(1)의 사용자가 정상 충전 버튼(7)을 누를 때 활성화된다. 배터리(5)의 정상 충전은 바람직하게는 일정한 전류/일정한 전압 방법(CCCV-방법)에 따라 실행된다. 그에 따라, 제어 유닛(6)은, 배터리(5)가 전압{즉, 케이블(3 및 4) 사이에 측정된 전압)을 모니터링하면서 일정한 전류 모드(CC-모드)에 따라먼저 충전되도록 공급 유닛(2)을 제어한다. CC-모드 동안에 일정한 전류(I_CONST)는 전형적으로 빈 배터리가 CD-모드 동안에 그 정상 최대 정전용량의 대략 50% 내지 90%를 얻게 되도록 낮게 셋팅된다. 리튬 배터리에 대한 전형적인 일정한 전류(I_CONST)는 0.7C-율, 즉 1시간 동안 일정하게 유지된다면 배터리를 그 최대 정전용량의 70%까지 충전할 전류이다. 전압이 어떤 시간 이후에 규정된 최대 전압(V_max)에 도달할 때, 제어 유닛(6)은 일정한 전압 모드(CV-모드)로 변한다. CV-모드 동안, 공급 유닛(2)에 의해 공급된 전류는, 전류가 감소하게 되는 동안 전압은 V_max에서 일정하게 유지되도록 제어된다. 제어 유닛(6)은 전류가 작은 값까지 감소하게 되었을 때, 또는 배터리를 충분히 충전시키기에 충분한 미리 결정된 시간 간격 이후에 충전 프로세스를 정지한다. 느리고 조심스럽게 그 최대 정전용량까지 그에 따라 충전된 배터리가 사용하기 위해 준비된다. 정상 충전 프로세스는 배터리의 긴 재사용 수명과 충분히 충전된 배터리를 제공한다.

배터리(5)의 부스트 충전은 충전기(1)의 사용자가 부스트 충전 버튼(8)을 누를 때 활성화된다. 배터리(5)의 부스트 충전은 본 발명의 방법에 따라 실행된다. 그에 따라, 제어 유닛(6)은 매우 높은 초기 전류(I_init)는 즉시 배터리(5)에 공급되도록 공급 유닛(2)을 제어한다. 제어 유닛(6)은 공급된 전압{즉, 케이블(3 및 4) 사이에 측정된 전압}을 모니터링하여, 전압이 규정된 최대 전압(V_max)에서 유지되도록 전류를 제어한다. 초기 전류(I_init)는 최대 전압(V_max)에 거의 즉시 도달되도록 선택된다. 제어 유닛(6)은 그에 따라 전류가 즉시, 또는 매우 짧은 시간 기간 이후에 I_init에서 더 낮은 값으로 감소되도록 배터리(5)에 공급된 전류를 제어할 것이다. 만약 I_init가 매우 높다면, 일정한 전류 단계는 없게 될 것이다. 정상 충전 프로세스의 CC-모드 동안 공급된 전류(I_CONST)에 비해 여전히 매우 높은 다소 더 낮은 I_init에서, 짧은 시간 기간이 전류가 감소되기 이전에 경과할 수 있다. 어느 경우에도, 정상 충전에 관해 기술된 유형의 일정한 전류 단계는 없다.

리튬 배터리의 부스트 충전의 경우에 인가된 초기 충전 전류(I_init)는 1C-율, 즉 일정하게 유지된다면 30분 미만의 시간에 그 최대 정전용량의 50%까지 빈 배터리를 충전시켜서 고속 충전을 제공하는 전류보다 더 높게 되어야 함이 알려져 있다. 2C-율보다 더 높고, 또한 좀더 바람직하게는 3.5C-율보다 더 높은 초기 전류(I_init)는 충전 시간을 상당히 더 감소시킨다는 점이 알려져 있다. 초기 충전 전류(I_init)는, 충전의 시작에서, 처음 1 분 동안의 충전이 충전 시간을 감소시킬 만큼 높은 전압에서 실행되어야 하므로, 미리 결정된 최대 충전 전압이 기껏해야 2분 이내에 도달되도록 선택되어야 함이 알려져 있다. 초기 충전 전류(I_init)는, 최대 충전 전압에 기껏해야 30초 이내에 도달되며, 또한 좀더 바람직하게는 기껏해야 5초 이내에 도달되어 충전 시간을 상당히 더 감소시키며, 재사용 수명에 상당한 악영향을 끼치지 않고도, 높은 전류 및 최대 전압에서 실행된다면 가장 효율적이 될 처음 1분 동안 충전시키도록 또한 선택되어야 함이 또한 알려져 있다

부스트 충전은 충전 전류가 0이거나 거의 0일 때 정지될 것이다. 바람직하게, 그러나, 부스트 충전은 배터리(5)가 단지 부분적으로 충전 될 때 짧은 시간 이후 제어 유닛(6)에 의해 중단된다. 부스트 충전은 배터리가 그 배터리 정전용량의 최대 75%(즉, 75% DoC)까지 충전되어 재사용 수명에 상당한 부정적인 영향을 끼치지 않고도 고속 충전을 제공할 때 중단되어야 하며, 잠재적으로는 또한 더 높은 최대 충전 전압에서 실행되어야 함이 알려져 있다. 10 내지 60%의 배터리 DoC에서 충전 프로세스의 중단은 부스트 충전 기능의 대부분의 사용자에게 매력적인 충전된 정전용량과 충전 시간 사이의 관계를 제공함이 또한 알려져 있다. 따라서, 부스트 충전은 바람직하게는 배터리의 고속, 부분 충전에 사용된다. 부분 충전을 위한 적절한 시간에 부스트 충전을 정지하는 것인, 바람직하게는 DoC, 즉 특정한 시간에 배터리의 DoC를 측정하기 위한 기능이 제어 유닛(6)에 포함된다. DoC는 당업자에게 잘 알려져 있는 몇 가지 방법 중 하나에 따라 배터리 파라미터를 측정함으로써 측정될 수 있다. 배터리 파라미터를 배터리의 DoC에 관련시키기 위해 배터리 파라미터를 측정하기 위한 이러한 방법의 예는 개방회로 전압(OCV) 측정 및 저항 프리 전압(RFV) 측정을 포함한다.

부스트 충전의 응용은 바람직하게는 이미 충분한 정전용량 또는 거의 충분한 정전용량을 갖는 배터리가 부스트 충전이 될 수 없도록 제한된다. 그에 따라, 바람직하게는 제어 유닛(6)은 임의의 충전, 및 특히 임의의 부스트 충전이 시작하기 이전에 DoC, 즉 아마도 빈 배터리(5)의 초기 DoC를 측정하기 위한 기능을 포함한다. 충전 프로세스 사용을 시작하기 이전에 배터리의 DoC를 측정하는 것은 당업자에게잘 알려져 있는 몇 가지 방법 중 하나로 구성될 수 있다. 배터리 파라미터를 배터리의 DoC에 관련시키기 위해 배터리 파라미터를 측정하는 이러한 방법의 예는 개방회로 전압(OCV) 측정, 저항 프리 전압(RFV) 측정, 및 완화(relaxation) 이후의 배터리 전압(V_relax)을 포함한다. 초기 전류(I_init)는 이 전류가 최대 충전 전압을 초과하는 것을 피하기 위해 감소될 필요가 있기 이전에 짧은 시간 기간이 경과하도록 선택된다면, 충전 전류가 감소하기 시작하기 이전에 경과된 시간을 측정함으로써 충전 프로세스의 바로 시작부분에서 DoC를 측정하는 것이 또한 가능하다. 충전 전류가 감소되기 이전의 시간이 짧을수록, 초기 DoC는 더 높게 된다. 부스트 충전을 시작하는 시간에 대해 전압 증가의 경사도를 측정하는 것, 즉 dV/dt를 측정하는 것이 또한 가능하다. 그러면, 큰 dV/dt는 배터리의 높은 초기 DoC를 표시한다. 만약 충전 전류가 감소하기 이전에 경과된 시간, 즉 dV/dt의 측정이 배터리가 이미 높은 또는 충분한 정전용량을 갖는다는 점을 보인다면, 부스트 충전은 즉시 중단된다. 재사용 수명에 대한 악영향외에, 높은 초기 DoC에서 부스트 충전에 의해 얻게 된 시간은 낮아서, 바람직하게는 회피된다. 부스트 충전은, 만약 배터리가 70% 이상의 초기 DoC를 가짐이 발견된다면 시작되지 않아야 하거나, 만약 초기 단계에 있다면 즉시 정지되어 재사용 수명에 대한 악영향을 피해야 한다. 충전기(1)에는 부스트 충전이 높은 초기 DoC로 인해 중단됨을 지시하기 위한 기능이 갖춰져서, 사용자에게 배터리가 이미 특정하게 충전되었음을 보여줄 수 있다. 충전 시간과 충전된 정전용량 사이의 관계는 50% 이상의 초기 DoC에서 부스트 충전 프로세스를 시작하는장점에 악영향을 미칠 수 있음이 또한 알려져 있다.

추가적인 제어 예에서, 충전 프로세스는 제어 유닛(6)에 제공될 타이머 기능을 제공한다. 타이머는 특정한 시간, 예컨대 5 또는 10분 동안 부스트 충전을 허용하고, 그런 다음 충전을 중단하도록 셋팅된다. 타이머는 높은 초기 DoC에서 충전을 회피하기 위한 전술된 기능 및/또는 특정한 미리 결정된 DoC에서 충전을 중단하기 위한 기능과 결합될 수 있다. 타이머 기능은 부스트 충전 기능이 최종 사용자가 사용하고 이해하기 쉽게 한다.

제어 유닛은 또한 어떤 시간동안 부스트 충전을 허용하고, 그런 다음 정상 충전으로 스위칭하도록 적응될 수 있다. 이러한 경우, 배터리는 특정한 시간 동안에 높은 율에서, 또는 특정한 DoC로 먼저 충전된다. 그러면, 충전기는 정상 충전으로 스위칭하고, 배터리가 충분히 충전될 때까지 배터리의 충전이 낮은 율로 진행하게 한다. 바람직하게는 LED의 스위칭 온과 같은 지시자가 부스트 충전이 완료됨을 지시하는데 사용된다. 사용자는 그러면 충전 프로세스를 중단하거나 배터리를 느린 율로 충분히 충전시키기 위해 정상 충전 모드로 진행하게 하는 것을 선택할 수 있다.

부스트 충전은 재충전 가능한 배터리의 모든 유형에 적용될 수 있다. 이러한 배터리의 예는 니켈 금속 하이브리드 배터리(NiMH), 니켈 카드뮴 배터리(NiCd), 납산(lead acid) 배터리(Pb-acid), 재충전 가능한 알칼리 망간 배터리(RAM), 및 리튬 배터리를 포함한다. 부스트 충전은 리튬 이온 배터리(Li-ion), 리튬 폴리머 배터리(Li-Polymer), 리튬 폴리머 겔 배터리(Li-polymer gel), 및 리튬-금속 배터리(Li-metal)를 포함하는 리튬 배터리에 특히 유리하게 됨이 알려져 있으며, 이는 리튬 배터리가 높은 전압에서 충전되지 않아야 하기 때문이다. 이러한 사실로 인해, 리튬 배터리의 고속 충전을 위한 임의의 충전기는 지금까지 존재하지 않았다.

본 발명에 다른 충전기는 독립형 충전기나 통합 충전기일 수 있다. 그에 따라, 충전기는 임의의 전자 또는 배터리 구동 장치의 통합된 부분일 수 있다. 충전기를 병합한 이러한 전자 장치의 예는 면도기, 이동 전화, 배터리 팩, 및 개인용 컴퓨터이다. 통합 충전기의 경우에, 선택기는 바람직하게는 사용자가 충전 모드를 선택하기 위해 면도기와 같은 장치의 하우징에 위치된다.

많은 테스트가 본 발명에 따른 충전기의 효율을 증명하기 위해 실행되었다. 이 테스트에서, 1100mAh인 공칭 정전용량을 갖는 표준 소니 US18500 셀의 형태인 Li-ion 배터리가 사용되었다. 모든 테스트가 25℃에서 실행되었다.

도 2는 부스트 충전과 정상 충전의 절차를 도시한다. 도 2의 왼쪽 수직 축은 암페어 단위의 충전 전류(I_charge)이며, 오른쪽 수직 축은 볼트 단위의 충전 전류(V_charge)이며, 수평축은 mAh 단위의 충전된 배터리 정전용량이다. (도 2의 점선인) 정상 충전은 배터리가 그 최대 정전용량의 대략 80%를 얻을 때까지 대략 1A의 일정한 전류(I_const)에서 발생한다. 제어 유닛(6)은 0에서 미리 결정된 일정한 충전 전류(I_const)까지 충전 전류를 증가시키며 그리하여 충전 전류가 좀더 증가하는 것을 방지하는 충전 전류 제한 기능을 포함한다. 일정한 전류(CC) 충전의 이러한 단계 동안에, 충전 전압은 3.6에서 이 셀의 최대 충전 전압인 4.2V까지 느리게 증가한다.충전 전압이 4.2V에 도달할 때, 충전기는 일정한 전압 모드로 스위칭한다. 그에 따라, 셀은 4.2V의 일정한 전압 및 감소한 전류에서 그 용량의 마지막 20%로 충전된다.

부스트 충전은 도 2에 실선으로 예시되어 있다. 부스트 충전 프로세스의 시작에서, 8A의 초기 전류(I_init)가 셀에 공급된다. 충전 전압은 즉시, 즉 1초 미만 동안에 4.2V의 최대 충전 전압까지 증가한다. 제어 유닛은 충전 전압이 4.2V로 유지되도록 충전 전류를 감소시킨다. 충전 전류는 먼저 1분 이내에 대략 4A까지 신속하게 감소한다. 그러면, 충전 전류는 더 느린 율로 추가로 감소한다.

도 2에 지시된 바와 같이, 충전 프로세스의 끝에서의 충전, 즉 충전 정전용량의 최종 20%의 충전은 정상 충전과 부스트 충전이 유사하다. 그에 따라, 충전 증가(build up)에 높은 초기 충전 전류가 미치는 영향은 작다는 결론을 맺을 수 있다.

도 3에서, 시간 함수인 정전용량 증가가 도시되어 있다. 수직 축은 충전된 정전용량, 즉 충전 동안 배터리에 추가된 정전용량(mAh 단위)이며, 수평축은 분 단위 시간이다. 최대 충전 전압은 4.2V였다. 점선은 정상 충전을 사용한 빈 배터리의 충전 증가를 기술한다. 10분 동안의 정상 충전 이후, 배터리의 DoC는 그 최대 정전용량의 대략 16%까지 증가하였다. 정상 충전의 10분 동안의 일정한 전류는 대략 1A/1100mAh=0.9C-율에 대응하는 대략 1A였다. 8A/1100mAh=7.3C-율의 초기 C-율에 대응하는 8A의 초기 전류(I_init)를 사용하여 부스트 충전에 세 개의 테스트가 실행되었다. 빈 배터리(0% 초기 DoC) 및 10 및 25% 초기 DoC를 갖는 배터리의 부스트 충전의 결과가 도 3에 실선들로 도시되었다. 빈 배터리는 부스트 충전의 단지 10분 이후에 그 최대 정전용량의 거의 50%를 달성했다. 각각 10%와 25%의 초기 DoC를 가졌던 배터리는 빈 배터리의 충전에 비해 다소 더 느린 정전용량 증가를 보였다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 부스트 충전에서의 정전용량 증가는 모든 경우에서 정상 충전에서의 정전용량 증가보다 상당히 더 고속이었다.

도 4에서, 빈 배터리(0% 초기 DoC)의 충전에 대한 초기 충전 전류(I_init)의 영향이 증명되어 있다. 수직축은 암페어 단위의 초기 충전 전류(I_init)이며, 수평축은 분 단위의 충전 시간이다. 곡선은 서로 다른 DoC, 10 내지 50%를 표시하며, 여기서, 충전이 중단된다. 그에 따라, 30% 곡선은 빈 배터리를 서로 다른 초기 전류(I_init)에서 그 최대 정전용량의 30%의 DoC까지 충전시키는데 걸리는 시간을 표시한다. 점(P)은 예컨대 3A의 초기 전류(I_init)에서 30%의 DoC에 6.9분 이후 도달됨을 표시한다.

대략 3.6C-율의 초기 C-율에 대응하는 4A를 초과하는 초기 충전 전류(I_init)는 특정한 DoC를 얻는데 필요한 시간을 더 감소시키지 않는 점이 도 4로부터 분명해진다. 다른 한편, 대략 1.8C-율의 초기 C-율에 대응하는 2A 미만의 초기 충전 전류는 결국 특정한 DoC를 얻는데 필요한 시간을 상당히 증가시킨다.

테스트는 허용된 4.2V보다 더 높은 최대 충전 전압에서 실행되었다. 최대 충전 전압은 그에 따라 4.3V로 세팅되었다. 빈 배터리(0% 초기 DoC)는 4.2V에서 필요했던 10분(도 3 참조)보다 2분 더 작은 8분 동안에 8A의 초기 충전 전류(I_init)에서 거의 50%의 DoC로 충전됨을 알 수 있었다.

본 발명은, 충전 전압이 거의 모든 충전 프로세스 동안에 그 최대 미리 결정된 값에 있도록 높은 초기 충전 전류를 인가함으로써, 리튬 배터리를 포함하는 모든 유형의 배터리를 고속으로 충전하기 위한 고속 충전 방법 및 충전기를 제공한다. 그에 따라 충전의 처음 1분은 매우 높은 전류에서 발생하며, 충전이 배터리에 매우 고속으로 이뤄지게 한다. 배터리를 적어도 부분적으로 충전시킴으로써, 충전하는데 필요한 시간은 감소되며, 배터리의 재사용 수명에 대한 악영향도 또한 감소된다.

마지막으로, 요약하면, 재충전 가능한 배터리 및/또는 배터리 팩을 충전하기 위한 배터리 충전기가 개시되어 있다. 바람직하게, 충전기는 배터리를 충전하는 두 개의 모드를 적용할 수 있다. 정상 충전 모드에서, 배터리는 낮은 율에서 충분한 정전용량까지 충전된다. 부스트 충전 모드에서, 배터리는 매우 신속하게 충전되며, 바람직하게는 그 최대 정전용량의 75%와 같은 특정한 정도로만 충전된다. 부스트 충전 모드는 충전에 이용 가능한 시간이 제한될 때 일부 충전을 배터리에 제공하는 것을 가능하게 한다. 부스트 충전 방법은 매우 높은 초기 충전 전류(I_init)를 기초로 한다. 초기 전류(I_init)는, 미리 결정된 최대 충전 전압(V_max)에 거의 즉시 도달되도록 선택된다. 그러면, 충전 전류는 충전 전압(V_charge)이 최대 충전 전압(V_max)에서 거의 일정하게 유지되도록 감소된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 재충전 가능한 배터리나 재충전 가능한 배터리 팩과 같은 재충전 가능한 유닛을 충전하는 방법에 이용된다.

Claims (10)

1. 재충전 가능한 배터리나 재충전 가능한 배터리 팩과 같은 재충전 가능한 유닛을 충전하는 방법에 있어서,

   - 상기 재충전 가능한 유닛이 전원 공급 유닛에 연결되는 단계와;

   - 상기 전원 공급 유닛이 전류를 상기 재충전 가능한 유닛에 공급하는 단계와;

   - 충전 전압이 충전하는 동안 모니터링되는 단계와;

   - 충전 프로세서의 시작에서 상기 재충전 가능한 유닛에 공급된 초기 전류는, 상기 충전 전압이 거의 즉시 미리 결정된 최대 충전 전압에 도달하도록 선택되는 단계와;

   - 후속하여, 상기 충전 전압이 상기 충전 프로세스 동안 최대 충전 전압에서 거의 일정하게 유지되도록 전류가 감소되는 것을,

   특징으로 하는, 재충전 가능한 유닛의 충전 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 초기 충전 전류는 상기 충전 전압이 기껏해야 2분 이내에 미리 결정된 최대 충전 전압에 도달하도록 선택되는, 재충전 가능한 유닛의 충전 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 초기 충전 전류는 1C-율을 초과하는 율에 대응하는,재충전 가능한 유닛의 충전 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재충전 가능한 유닛은 그 최대 정전용량의 최대 75%까지 충전되며, 그러면, 상기 충전 프로세스는 중단되는, 재충전 가능한 유닛의 충전 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 충전될 상기 재충전 가능한 유닛의 전하의 초기 깊이는 충전이 시작하기 이전에 또는 상기 충전 프로세스의 시작에서 측정되며, 상기 재충전 가능한 유닛이 미리 결정된 최대 초기 전하의 깊이보다 더 높은 초기 전하의 깊이를 갖게 됨이 알려지게 되면 충전은 정지되는, 재충전 가능한 유닛의 충전 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재충전 가능한 유닛은 리튬 배터리를 포함하는, 재충전 가능한 유닛의 충전 방법.
7. 재충전 가능한 배터리나 재충전 가능한 배터리 팩과 같은 재충전 가능한 유닛을 충전하기 위한 충전기로서,

   - 충전 전류를 재충전 가능한 유닛에 공급하기 위한 전원 공급 유닛과;

   - 상기 전원 공급 유닛을 상기 재충전 가능한 유닛에 연결하기 위한 단자와;

   - 상기 전원 공급 유닛에 의해 공급된 전류를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는, 충전기에 있어서,

   - 충전 전압을 모니터링하기 위한 수단과;

   - 재충전 가능한 유닛의 충전 프로세스의 시작 시에 초기 충전 전류를 공급하기 위한 수단으로서, 상기 초기 충전 전류는 상기 재충전 가능한 유닛에 공급된 충전 전압이 거의 즉시 미리 결정된 최대 충전 전압에 도달하도록 선택되는, 초기 충전 전류 공급 수단과;

   - 상기 충전 전압이 상기 충전 프로세스 동안에 최대 충전 전압에서 거의 일정하게 유지되도록 전류를 감소시키기 위한 수단을,

   더 포함하는 것을 특징으로 하는, 충전기.
8. 제 7항에 있어서, 상기 제어 유닛은:

   부스트 충전 모드로서, 상기 제어 유닛은 재충전 가능한 유닛의 충전 프로세스의 시작 시에 상기 공급 유닛이 초기 전류를 공급하도록 적응되며, 상기 초기 충전 전류는 상기 재충전 가능한 유닛에 공급된 충전 전압이 거의 즉시 미리 결정된 최대 전압에 도달되도록 선택되는, 부스트 충전 모드와;

   정상 충전 모드로서, 상기 제어 유닛은 재충전 가능한 유닛의 충전 프로세스의 시작 시에 상기 전원 공급 유닛이 일정한 충전 전류를 공급하도록 적응되며, 상기 일정한 충전 전류는 상기 재충전 가능한 유닛이 상기 충전 전압이 미리 결정된 최대 전압에 도달하기 이전에 상기 일정한 전류에서 상당한 정전용량으로 충전되도록 선택되는, 정상 충전 모드

   사이에서 선택하기 위한 선택기를 포함하는, 충전기.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 제어 유닛은 충전하는 동안 상기 재충전 가능한 유닛의 전하 깊이를 측정하기 위한 수단과, 미리 결정된 전하 깊이에서 충전 절차를 중단하기 위한 수단을 포함하는, 충전기.
10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전기는 미리 결정된 시간 간격 이후 상기 충전 프로세스를 중단하기 위한 타이머 기능을 포함하는, 충전기.