KR20090009004A - 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 먼저 배터리 충전모드를 판단하는 배터리용 제어부가 구비된다. 상기 배터리용 제어부는 배터리 1셀당 미리 설정된 상기 배터리의 기준전압레벨에 기초하여 상기 충전모드인 정전류모드와 정전압모드를 판단한다. 그리고, 상기 충전모드에 따라, 정전류모드에서는 충전되는 전류량을 모니터링 하여 정전류로 상기 배터리가 충전될 수 있도록 제어하고, 상기 배터리의 충전전압이 상기 배터리의 기준전압레벨에 도달되면 정전압모드로 전환한 다음, 상기 배터리에 충전될 충전량을 산출하고, 상기 산출된 충전량만큼만 연료전지에서 생성하여 상기 배터리로 공급되도록 제어하는 연료전지용 제어부가 구비된다. 상기 충전량은 상기 배터리의 기준전압레벨에 도달시부터 지속적으로 감소하게 되므로, 상기 산출된 충전량에 따라 상기 연료전지용 제어부는 상기 연료전지로부터 생성되는 충전량 또한 지속적으로 감소되도록 제어한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 상기 연료전지로부터 상기 배터리로 충전을 위해 공급되는 충전량을 최적으로 공급할 수 있고, 상기 연료전지의 에너지 이용을 절약할 수 있는 이점이 있다.

연료전지, 배터리 충전, 정전류모드, 정전압모드

Description

배터리 충전 장치 및 방법{A APPARATUS AND A METHOD OF BATTERY CHARGING}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 충전 장치의 구성도.

도 2는 도 1에 도시된 배터리의 충전곡선 그래프.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 충전 방법의 흐름도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 휴대용 기기 110 : 배터리

120 : 배터리용 제어부 200 : 연료전지 시스템

210 : 연료전지용 제어부 220 : 연료전지

본 발명은 연료전지를 이용한 배터리 충전에 관한 것으로, 특히 배터리가 만충전되기 일정 시점 전부터는 정전압모드에 의해 충전될 충전량을 미리 체크하고 그 충전량만큼만 연료전지로부터 공급되도록 하는 배터리 충전장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 휴대용 기기에 공급되는 전원은 상용교류전원을 각 기기별 직류 전원으로 변환하는 교류-직류어댑터를 이용하거나, 내장 또는 외장 배터리를 이용한다. 특히, 휴대용 기기는 이동성을 주목적으로 하여 배터리의 용량이 중요한 요건이었다. 현재, 휴대용 기기에는 2차전지인 리튬-이온 배터리(Lithium-Ion Battery; 이하 "배터리"라 함.)가 많이 이용되고 있다. 상기 배터리는 충전시 정전류(Constant Current; 이하 "정전류"라 함.)모드와 정전압(Constant Voltage; 이하 "정전압"라 함.)모드를 복합한 충전모드를 통해 충전이 이루어지고 있다.

또한, 상기 배터리 충전은 연료전지를 이용하여 수행할 수도 있다.

상기 연료전지를 이용한 방안은, 배터리 충전 명령이 발생되면, 상기 연료전지는 소정의 충전에너지(즉, 충전량)를 배터리로 공급하여 상기 배터리가 충전되도록 한다.

그러나, 상기 연료전지는 상기 배터리가 만충전 시점에서도 동일한 충전량이 계속 상기 배터리로 공급되기 때문에 불필요하게 상기 충전량이 상기 배터리로 과잉 공급되는 문제가 발생된다.

이때, 상기 배터리가 만충전시에는 상기 과잉 공급되는 충전량은 상기 배터리에 충전되지 못하고 그대로 방전되기 때문에 충전에너지 낭비문제로 이어진다.

이에 본 발명의 목적은 배터리가 만충전 되기 일정 시점 전부터는 정전압모드에 의해 충전될 충전량을 미리 체크하고 그 충전량만큼만 연료전지로부터 공급되도록 하는 배터리 충전 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 배터리 충전 장치는, 충전가능한 배터리, 상기 배터리의 기준전압레벨 대비 충전전압레벨에 기초하여 정전류모드 또는 정전압모드를 판단하는 배터리용 제어부, 상기 판단결과에 따라 정전류모드에서는 정전류모드로 상기 배터리 충전을 수행하고, 상기 정전압모드에서는 현재 배터리에 충전될 충전량만큼만 연료전지로부터 공급하여 상기 배터리 충전을 수행하는 연료전지용 제어부를 포함하여 구성된다.

상기 배터리용 제어부는 상기 배터리의 충전전압레벨이 상기 기준전압레벨보다 작으면 정전류모드로 판단하고, 상기 기준전압보다 크면 정전압모드로 판단한다.

상기 연료전지용 제어부는 상기 정전류모드에서 상기 배터리 충전전류가 상기 기준전류보다 작으면 상기 연료전지에서 공급되는 충전량을 증가시키고, 상기 충전전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 연료전지에서 공급되는 충전량을 감소시키도록 제어한다.

상기 연료전지용 제어부는 상기 정전류모드에서 일정한 충전량이 상기 배터리로 공급되도록 하고, 상기 정전압모드에서는 시간 경과에 따라 충전량이 감소되면서 상기 배터리로 공급되도록 상기 연료전지의 충전량을 조절한다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 충전 방법은, 배터리 충전모드를 판단하는 단계, 상기 판단 결과 정전류모드인 경우 정전류로 배터리 충전하고, 상 기 충전모드가 정전압모드인 경우 상기 배터리에 충전될 충전량만큼만 연료전지에서 공급하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.

상기 배터리 충전모드는 정전류모드에서 충전전압이 상기 배터리의 기준전압레벨까지 충전되면 정전압모드로 전환된다.

상기 충전전압이 상기 기준전압레벨보다 작으면 정전류모드로 판단하고, 상기 기준전압레벨보다 크면 정전압모드로 판단한다.

상기 정전류모드에서는 상기 배터리의 충전전류가 기준전류보다 작으면 연료전지에서 공급되는 충전량을 증가시켜 상기 배터리를 충전한다.

상기 정전류모드에서는 상기 배터리의 충전전류가 기준전류보다 크면 연료전지에서 공급되는 충전량을 감소시켜 상기 배터리를 충전한다.

상기 정전류모드에서는 일정한 충전량이 상기 배터리로 공급되고, 상기 정전압모드에서는 시간 경과에 따라 충전량이 감소되면서 상기 배터리로 공급된다.

상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명은 배터리가 만충전 되기 일정 시점 전부터는 정전압모드에 의해 충전될 충전량을 미리 체크하고 그 충전량만큼만 연료전지로부터 공급될 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 의한 배터리 충전 장치를 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예를 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 배터리(110)가 장착된 휴대용 기기(100)와, 상기 배터리(110) 충전을 수행하는 연료전지 시스템(200)으로 구성된다.

먼저, 상기 휴대용 기기(100)에는 전원을 공급하는 충전가능한 배터리(110) 가 적어도 하나 이상 구비된다. 상기 배터리(110)는 노트북 등의 휴대기기에서 널리 이용되고 있는 리튬-이온 배터리(Lithium-Ion Battery) 등이 적용되고, 이는 배터리 정보(즉, 충전전압, 충전전류, 온도 등)를 감지하고 제1제어부(배터리용 제어부)(120)로 전송 가능한 스마트 배터리 타입이다.

상기 배터리용 제어부(120)는 시스템 관리버스(System Management Bus; 이하 "SMBus"라 함.)로 연결되어 상기 배터리(110)와 연결된다. 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 배터리(110) 충전 제어 및 상기 배터리(110)가 장착된 상기 휴대용 기기(100)의 전반적인 동작을 제어하는 임베디드 컨트롤러(Embeded Controller)이다. 또, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 수신된 배터리 정보에 기초하여 상기 배터리(110)의 충전모드를 판단하는 기능도 수행한다. 상기 충전모드는 상기 배터리(110)의 충전전압에 따라 정전류(Constant Current; 이하 "정전류"이라 함.)모드와 정전압(Constant Voltage; 이하 "정전압"이라 함.)모드로 구분된다. 예컨대, 상기 배터리의 각 셀당 기준전압이 4.2V라고 가정한다면, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 수신된 배터리 정보 중 충전전압이 4.2V 미만인 경우 정전류모드로 판단하고, 반면에 상기 충전전압이 4.2V 이상인 경우 정전압모드로 판단한다. 또, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 배터리 정보에 기초하여 상기 배터리(110)에 충전될 충전량을 산출한다. 또, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 판단된 충전모드 신호 및 산출된 충전량을 후술하여 설명되는 제2제어부(연료전지용 제어부)(210)로 전달한다.

다음, 상기 연료전지 시스템(200)에는 상기 전달된 충전모드 판단 신호 및 배터리 충전량 정보에 의해 상기 배터리(110) 충전을 수행하도록 연료전지(220)에서 공급되는 충전량을 제어하는 연료전지용 제어부(210)가 구비된다. 상기 연료전지용 제어부(210)는 상기 전달된 충전모드 판단 신호가 정전류모드인 경우, 정전류 공급으로 상기 배터리(110)를 충전하도록 한다. 반면에, 상기 배터리용 제어부(120)로부터 충전량 정보를 전달받고 상기 전달된 충전량만큼만 상기 배터리(110)로 공급될 수 있도록 상기 연료전지(220)에서 공급될 충전량을 조절한다.

도 2에는 상기 배터리셀의 충전곡선 그래프가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 상기 배터리셀 충전시 정전류모드에서는 상기 배터리셀에 일정한 충전전류(B)로 충전이 수행되며, 그에 따라 충전전압(A)이 상기 기준전압(즉, 4.2V)에 도달하게 된다. 그러면, 정전압모드로 전환되어 상기 충전전압은 4.2V를 유지하고, 상기 충전전류는 점차 감소(I1→I2→I3→I4) 되면서 상기 배터리셀이 충전되며, 이 후 상기 배터리셀은 만충전된다. 따라서, 본 발명은 연료전지용 제어부(210)가 정전류모드에서는 상기 배터리셀의 기준전류와 동일하도록 상기 연료전지(220)의 충전량을 조절하고, 정전압모드에서는 점차 감소되는 충전전류에 비례하여 상기 배터리셀에 충전될 충전량을 조절함으로써 상기 연료전지(220)의 충전량도 함께 감소하게 되는 것이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 충전 방법을 도 3을 참조하여 단계별로 상세하게 설명한다.

도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(200)을 통해 공급되는 충전량에 의해 휴대용 기기(100)에 내장된 배터리(110)에 충전이 개시된다.

상기 충전이 개시되면, 배터리용 제어부(120)는 상기 배터리(110)로부터 배터리 정보를 수신한다(S10). 상기 배터리 정보는 기준전압을 포함한 현재 충전되어 지고 있는 충전 정보를 말한다.

그러면, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 수신된 배터리 정보에 기초하여 충전모드를 판단한다(S20). 예컨대, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 수신된 배터리 정보 중 충전전압이 4.2V(즉, 기준전압) 보다 미만인 경우 상기 정전류모드로 판단한다. 반면에, 상기 배터리용 제어부(210)는 상기 충전전압이 4.2V 와 같으면(또는 그 이상이면) 정전압모드로 판단한다.

상기 판단 결과에 따라, 상기 배터리용 제어부(120)는 충전모드 판단신호를 연료전지용 제어부(210)로 전달한다.

상기 전달된 충전모드 판단신호가 정전류모드인 경우, 상기 연료전지용 제어부(210)는 상기 배터리(110)의 충전전류와 미리 설정된 기준전류를 비교한다(S22). 이때, 상기 기준전류는 정전류모드에서 최적으로 상기 배터리(110)를 충전할 수 있는 전류값을 말한다. 이에, 상기 충전전류가 상기 기준전류와 상이한 경우에는 그 충전전류를 상기 기준전류값과 비슷하도록 조절하게 된다.

그래서, 상기 제22단계에서 상기 충전전류가 상기 기준전류보다 이하인 경우 상기 연료전지용 제어부(210)는 상기 연료전지(220)로부터 공급되는 충전량을 증가시키도록 제어한다(S24).

이와는 달리, 상기 제22단계에서, 상기 충전전류가 기준전류보다 이상인 경우 상기 연료전지용 제어부(210)는 상기 연료전지(220)로부터 충전량을 감소시키도 록 제어한다(S26).

이와 같은 상기 정전류모드에서 배터리 충전과정을 보다 구체적으로 설명한다. 배터리셀이 1시간 동안 정전류로 공급할 수 있는 충전량을 1C(2.4Ah)라고 정의한 상태에서, 기준전류값이 0.5C(1.2Ah)로 설정된 경우를 예로 한다. 이 경우 충전되는 전류가 상기 기준전류인 0.5C(1.2Ah)보다 작으면 상기 연료전지 제어부(210)는 상기 배터리(110)에 충전될 충전량이 1.2Ah의 정전류가 공급될 수 있도록 상기 연료전지(220)의 충전량을 증가시킨다. 반면에, 상기 충전되는 전류가 상기 기준전류인 0.5C(1.2Ah)보다 크면 상기 연료전지용 제어부(210)는 상기 배터리(110)에 충전될 충전량이 1.2Ah의 정전류로 공급될 수 있도록 상기 연료전지(220)의 충전량을 감소시킨다.

상기 제24단계 또는 제 26단계에 따라 상기 연료전지(220)에서는 충전량이 조절되면서 상기 배터리(110)를 충전하게 된다(S28).

이 후, 배터리용 제어부(120)는 상기 정전류모드에 따라 상기 배터리(110)의 충전전압이 점차 상승하여 기준전압(즉, 4.2V)과 같은 전압레벨이 되는지를 계속 감시한다.

상기 감시결과 상기 충전전압이 상기 기준전압이 되면, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 배터리(110)를 정전압모드에서 충전하도록 제어한다(S30).

이에 따라, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 배터리(110)에 충전될 충전량을 산출한다(S40).

그리고, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 산출된 충전량 정보를 상기 연료 전지용 제어부(210)로 전달한다.

그러면, 상기 연료전지용 제어부(210)는 상기 전달된 충전량 정보에 따라 그 충전량만큼만 연료전지(220)에서 공급되도록 제어한다(S50). 예컨대, 현재 연료전지(220)에서 공급되는 충전량이 12W 이고, 상기 배터리(110)의 충전량이 10W 인 경우, 상기 연료전지용 제어부(210)는 상기 연료전지부(220)의 충전량이 10W 가 되도록 제어한다. 그리고, 상기 배터리(110)의 충전량은, 도 2에서와 같이 충전전류가 점차 감소(I1→I2→I3→I4)됨에 따라, 계속 감소하기 때문에 상기 연료전지(220)에서 공급되는 충전량도 계속 감소시킨다.

상기 제50단계에 따라 계속 조절되는 상기 연료전지(220)의 충전량에 의해 상기 배터리(110)가 충전된다(S60).

이 후, 상기 배터리(110)가 만충전 조건에 따라 만충전되면, 상기 배터리(110)의 충전이 종료된다(S70). 통상적으로, 상기 만충전 조건은 상기 배터리(110)의 충전전압이 4.2V인 경우 4.2V ±5% 이고, 충전전류가 1/20C 상태로 소정시간(1분간) 동안 지속되면, 상기 배터리용 제어부(120)는 상기 배터리(110)를 만충전 상태로 판단하는 것이다.

이와 같이 상기 실시 예에 설명되고 있는 본 발명은 상기 연료전지로부터 상기 배터리로 충전을 위해 공급되는 충전량을 최적으로 공급할 수 있고, 상기 연료전지의 에너지 이용을 절약할 수 있는 이점이 있다.

이러한 본 발명의 범위는 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 배터리 충전 장치 및 방법에 따르면, 배터리가 만충전 되기 일정 시점 전부터는 정전압모드에 의해 충전될 충전량을 미리 체크하고 그 충전량만큼만 연료전지로부터 공급되도록 하는 효과가 있다.

또한, 종래의 충전회로(또는 충전IC)가 구비되지 않기 때문에 고효율을 기대할 수 있다.

Claims (10)

1. 충전가능한 배터리,

   상기 배터리의 기준전압레벨 대비 충전전압레벨에 기초하여 정전류모드 또는 정전압모드를 판단하는 배터리용 제어부, 그리고

   상기 판단결과에 따라 정전류모드에서는 정전류로 상기 배터리 충전을 수행하고, 상기 정전압모드에서는 현재 배터리에 충전될 충전량만큼만 연료전지로부터 공급하여 상기 배터리 충전을 수행하는 연료전지용 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 배터리용 제어부는 상기 배터리의 충전전압레벨이 상기 기준전압레벨보다 작으면 정전류모드로 판단하고, 상기 기준전압보다 크면 정전압모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 연료전지용 제어부는 상기 정전류모드에서 상기 배터리 충전전류가 미리 설정된 기준전류보다 작으면 상기 연료전지에서 공급되는 충전량을 증가시키고, 상기 충전전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 연료전지에서 공급되는 충전량을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 연료전지용 제어부는 상기 정전류모드에서 일정한 충전량이 상기 배터리로 공급되도록 하고, 상기 정전압모드에서는 시간 경과에 따라 충전량이 감소되면서 상기 배터리로 공급되도록 상기 연료전지의 충전량을 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
5. 배터리 충전모드를 판단하는 단계, 그리고

   상기 판단 결과 정전류모드인 경우 정전류로 배터리 충전하고, 상기 충전모드가 정전압모드인 경우 상기 배터리에 충전될 충전량만큼만 연료전지에서 공급하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 배터리 충전모드는 정전류모드에서 충전전압이 상기 배터리의 기준전압레벨까지 충전되면 정전압모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 충전전압이 상기 기준전압레벨보다 작으면 정전류모드로 판단하고, 상기 기준전압레벨보다 크면 정전압모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 정전류모드에서는 상기 배터리의 충전전류가 미리 설정된 기준전류보다 작으면 연료전지에서 공급되는 충전량을 증가시켜 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 정전류모드에서는 상기 배터리의 충전전류가 미리 설정된 기준전류보다 크면 연료전지에서 공급되는 충전량을 감소시켜 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
10. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

    상기 정전류모드에서는 일정한 충전량이 상기 배터리로 공급되고, 상기 정전압모드에서는 시간 경과에 따라 충전량이 감소되면서 상기 배터리로 공급되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.

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