KR20090081202A - 배터리 팩 및 이의 충전 방법 - Google Patents

배터리 팩 및 이의 충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 및 이의 충전 방법에 관한 것으로, 배터리 팩의 충전 종료 시점을 판단하는 기준을 변경하여, 상기 배터리 팩이 과충전되는 것을 방지함으로써, 상기 배터리 팩의 안전성 저하 및 수명 감소를 방지할 수 있는 배터리 팩 및 이의 충전 방법에 관한 것이다.
본 발명은 하나 또는 다수의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩의 충전 방법에 있어서, 상기 이차 전지를 정전류-정전압 방식으로 충전하고, 상기 이차 전지에 인가되는 충전 전압을 측정하고, 상기 이차 전지의 충전 전압이 제 1 설정 전압 이상인 경우 충전을 중지하고, 충전을 중지한 지 제 1 시간 이후에 상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)를 측정하고, 상기 측정된 무부하 전압(OCV)이 제 2 설정 전압 이상인 경우 상기 배터리 팩의 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법 및 상기 충전 방법을 이용하는 배터리 팩에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 하나 또는 다수의 베어 셀 및 상기 베어 셀의 충방전을 제어하는 전지 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 충전 방법에 있어서, 상기 전지 관리 시스템을 통해 상기 베어 셀에 인가되는 충전 전압을 측정하고, 상기 측정된 충전 전압이 제 3 설정 전압 이상인 경우, 제 3 시간 주기로 충전을 중지시키고, 충전이 중지된 지 제 4 시간 후 상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)을 측정하고, 상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)이 제 4 설정 전압 이상인 경우, 상기 배터리 팩의 충전을 완료하는 것을 포함하는 배터리 팩의 충전 방법 및 상기 충전 방법을 이용하는 배터리 팩에 관한 것이다.
배터리 팩의 충전 방법, 무부하 전압(OCV)

Description

배터리 팩 및 이의 충전 방법{Battery Pack and Charging Method of the same}
본 발명은 배터리 팩 및 이의 충전 방법에 관한 것으로, 배터리 팩의 충전 종료 시점을 판단하는 기준을 변경하여, 상기 배터리 팩이 과충전되는 것을 방지함으로써, 상기 배터리 팩의 안전성 저하 및 수명 감소를 방지할 수 있는 배터리 팩 및 이의 충전 방법에 관한 것이다.
최근 들어 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 컴팩트하고 경량화된 휴대용 전자/전기 기기들이 활발하게 개발 및 생산되고 있으며, 상기 휴대용 전자/전기 기기들이 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 배터리 팩을 내장시키고 있다. 상기 배터리 팩은 경제적인 측면을 고려하여 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지 및 리튬(Li) 전지로 대표되며, 충방전이 가능한 이차 전지가 일반적으로 사용된다.
이 중, 상기 리튬(Li) 이차 전지는 상기 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지 또는 니켈-수소(Ni-MH) 전기에 비하여 작동 전압이 3배 정도 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 상기 리튬(Li) 이차 전지를 사용한 배터리 팩은 상기 휴대용 전자/전기 기 기에 널리 사용되고 있다. 여기서, 상기 리튬 이차 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분하거나, 제조되는 형상에 따라 원통형, 각형 및 파우치형으로 구분한다.
상기와 같은 리튬 이차 전지는 충방전 시 상기 리튬 이차 전지의 과충방전을 방지하기 위한 보호회로기판과 전기적으로 연결되어 배터리 팩을 구성하며, 이때 상기 리튬 이차 전지는 베어 셀의 형태로 상기 보호회로기판과 전기적으로 연결되어 배터리 팩을 구성할 수도 있다.
일반적으로 상기 리튬 이차 전지를 사용한 배터리 팩의 충전 방식은 정전류-정전압(CC/CV) 방식이 사용되고 있으며, 상기 정전류-정전압(CC/CV) 방식은 일정 전압을 충전 전압으로 설정하고, 상기 배터리 팩의 전압이 설정된 충전 전압에 도달할 때까지는 상기 배터리 팩에 일정 전류를 인가하며, 상기 배터리 팩의 전압이 설정된 충전 전압에 도달된 이후에는 상기 배터리 팩에 인가되는 전압을 상기 충전 전압으로 유지함으로써, 상기 배터리 팩에 인가되는 전류가 감소되도록 하는 방법이다.
상기 정전류-정전압(CC/CV) 방식에서 상기 배터리 팩에 일정 전류가 인가되는 구간을 정전류 구간(CC 구간)이라 하고, 일정 전압이 인가되는 구간을 정전압 구간(CV 구간)이라 한다. 또한, 상기 정전압 구간에서 상기 배터리 팩에 인가되는 전류가 감소하여 C/20에 도달하는 경우 상기 배터리 팩은 만충전된 것으로 판단하여 충전을 종료한다. 여기서, 1C는 리튬 이차 전지의 정격 용량과 같은 전류로 충 전하는 경우를 의미하는 것으로, 예를 들어 리튬 이차 전지의 용량이 1000mAh인 경우 충전을 위해 인가되는 전류량이 1000mAh인 경우 1C 충전이라 하며, 인가되는 전류량이 2000mAh인 경우 2C 충전이라 한다.
상기와 같은 배터리 팩은 충전을 위해 인가되는 충전 전압이 최대허용 충전 전압인 경우, 상기 배터리 팩은 정전압 구간에서 충전 전류가 C/20이 되기 전에 만충전 상태가 되므로, 종래와 같이 상기 배터리 팩의 충전 종료 시점을 판단하는 경우에는 상기 배터리 팩은 과충전되며, 이로 인하여 상기 배터리 팩의 안전성이 저하되고, 수명이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리 팩의 무부하 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 이용하여 상기 배터리 팩의 충전 종료 시점을 판단함으로써, 상기 배터리 팩에 인가되는 충전 전압에 상관없이 과충전되는 것을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 이의 충전 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩은 정전압 구간에서 제 1 시간 주기로 충전을 중지하고, 상기 충전이 중지되고 제 2 시간 동안 또는 상기 제 2 시간 경과 후 상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)을 측정하여 제 1 설정 전압과 비교를 통해 상기 배터리 팩의 충전 종료 시점을 판단함으로써, 상기 배터리 팩의 충전을 위해 인가되는 충전 전압에 무관하게 상기 배터리 팩이 과충전되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 상기 배터리 팩의 안전성 저하 및 수명 감소를 방지할 수 있는 효과 가 있다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다. 덧붙여, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성 요소들을 나타내는 것이며, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
(실시 예)
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 충방전이 가능한 하나 또는 다수 개의 베어 셀 또는 이차 전지를 포함하는 전지 조립체(110), 전지 관리 시스템(120) 및 상기 전지 조립체(110)와 외부 전원 장치 또는 부하를 전기적으로 연결시키는 외부 단자(P+, P-)를 포함한다.
상기 전지 관리 시스템(120)은 상기 전지 조립체(110)의 충전 상태에 따라 상기 전지 조립체의 충방전을 제어하는 제어부(130), 상기 제어부(130)로부터 신호를 인가받아 상기 전지 조립체(110)와 외부 단자(P+, P-) 사이의 전기적 연결을 제어하는 충방전 제어부(150)를 포함한다.
상기 전지 관리 시스템(120)은 상기 제어부(130) 또는 충방전 제어부(150)의 오작동에 의해 상기 전지 조립체(110)에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여, 상기 전지 조립체(110)의 대전류 경로 상에 위치하며, 상기 전지 조립체(110)와 외부 단자(P+, P-) 사이의 전기적 연결을 차단시키는 퓨즈(Fuse), 셀프 컨트롤 프로텍터(Self-Control Protector; SCP) 및 PTC 서미스터(Positive Temperature Coefficient thermistor) 등의 이차보호소자(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부(130)는 상기 전지 조립체(110)의 충전 전압을 측정하는 전압 측정부(132), 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)을 측정하는 OCV 측정부(134), 상기 전지 조립체(110)의 충전 전압 및 무부하 전압과 설정 전압을 비교하기 위한 전압 비교부(136), 상기 전압 비교부(136)로부터 신호를 인가받아 전지 조립체의 만충전을 판단하는 만충전 검출부(138) 및 상기 전지 조립체(110)의 충전 상태에 따라 상기 전지 조립체(110)의 충방전을 제어하는 보호회로(135)를 포함한다. 여기서, 도시되지는 않았으나, 상기 전압 비교부(136)은 상기 전지 조립체(110)의 충전 전압과 제 1 설정 전압을 비교하는 제 1 전압 비교부(미도시) 및 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)과 제 2 설정 전압을 비교하는 제 2 전압 비교부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 충방전 제어부(150)는 충전 FET 소자(151) 및 방전 FET 소자(152)를 포함하며, 상기 보호회로(135) 및 만충전 검출부(138)의 제어에 의해 상기 충전 FET 소자(151) 또는 방전 FET 소자(152) 중 어느 하나가 구동되도록 하여, 상기 전지 조립체(110)의 충방전을 제어한다.
상기 외부 단자(P+, P-)는 상기 전지 조립체(110)와 병렬로 연결되며, 양 극(P+) 및 음극(P-)로 구성된다. 상기 외부 단자(P+, P-)는 상기 전지 조립체(110)를 외부 전원 장치 또는 부하에 전기적으로 연결시켜, 상기 전지 조립체(110)가 충전 또는 방전을 수행할 수 있도록 한다. 보다 자세하게는, 상기 외부 단자(P+, P-)에 외부 전원 장치가 연결되는 경우에 상기 전지 조립체(110)는 충전을 수행하며, 상기 외부 단자(P+, P-)에 부하가 연결되는 경우에 상기 전지 조립체(110)는 방전을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩에 인가되는 충전 전압의 파형도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 설명하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 외부 단자(P+, P-)에 외부 전원 장치가 연결되어 충전이 시작되면, 우선 정전류-정전압 방식(CC/CV 방식)과 동일하게 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압이 제 1 설정 전압(V0)에 도달하는 정전류 구간(A)에는 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압을 단계적으로 증가시켜 상기 전지 조립체(110)에 일정한 전류가 인가되도록 한다(S01). 여기서, 상기 제 1 설정 전압(V0)은 종래의 정전류-정전압 방식에 있어서, 정전류 구간에서 정전압 구간으로 전환되는 충전 전압일 수 있다.
계속해서 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 전압이 제 1 설정 전압(V0)이상이 되면(S02) 정전류-정전압 방식(CC/CV 방식)의 정전압 구간과 동일하게 상기 전 지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압을 상기 제 1 설정 전압(V0)에 해당하는 전압으로 유지한다(S03).
이어서, 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압을 상기 제 1 설정 전압(V0)에 해당하는 전압으로 제 1 시간(t1-t0) 동안 유지하는 정전압 구간(B) 이후, 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압을 차단한다(S04).
여기서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압이 제 1 설정 전압(V0)에 도달하고 제 1 시간(t1-t0) 경과 후, 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압을 차단하였으나, 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압이 제 1 설정 전압(V0)에 도달한 직후에 상기 전지 조립체(110)에 인가되는 충전 전압을 차단할 수도 있다.
또한, 상기 정전압 구간(B)이 너무 길면 종래의 충전 방법과 동일한 문제가 발생할 수 있으며, 너무 짧으면 상기 배터리 팩의 충전 소요 시간이 증가하게 되므로, 상기 정전압 구간(B)의 제 1 시간(t1-t0)은 1 내지 2분인 것이 바람직하다.
다음으로, 충전 전압을 차단한 충전 중지 구간(C)의 제 2 시간(t2-t1) 동안 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)을 측정한다(S05). 여기서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)를 상기 충전 중지 구간(C) 동안 측정하는 것으로 설명하고 있으나, 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)은 상기 충전 중지 구간(C)의 제 2 시간(t2-t1) 경과 후 측정할 수도 있다.
다음으로, 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)이 제 2 설정 전압 이상인 지를 확인하고(S06), 상기 무부하 전압(OCV)가 제 2 설정 전압 이상인 경우 상기 전지 조립체(110)의 충전을 완료한다(S07).
여기서, 상기 충전 중지 기간(C)이 너무 길면 상기 전지 조립체(110)의 전압이 크게 저하되는 문제점이 있으며, 너무 짧으면 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)의 측정이 안정적이지 못하므로, 상기 충전 중지 기간(C)의 제 2 시간(t2-t1)은 상기 정전압 구간(B)의 제 1 시간(t1-t0)보다 짧은 것이 바람직하며, 5 내지 10초인 것이 더욱 바람직하다.
상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)이 제 2 설정 전압 미만인 경우 상기 전지 조립체(110)에 상기 제 1 설정 전압(V0)에 해당하는 전압을 인가하여 정전압 충전(S02)을 진행한다. 여기서, 상기 전지 조립체(110)의 충전을 위해 인가되는 충전 전압으로 상기 제 1 설정 전압(V0)이 인가되므로, 충전 중지 구간(C)에 의해 상기 전지 조립체(110)의 전압이 일정 수준(V1)으로 저하되었어도 상기 전지 조립체(110)의 충전 전압이 상기 제 1 설정 전압(V0) 이상이 되는 경우는 발생하지 않는다.
따라서, 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)이 제 2 설정 전압 미만인 상기 전지 조립체(110)는 상기 제 1 설정 전압(V0)에 해당하는 전압에 의해 충전되는 정전압 구간(B), 충전 전압이 차단되고, 무부하 전압(OCV)이 측정되는 충전 중지 구간(C) 및 상기 전지 조립체(110)의 무부하 전압(OCV)과 제 2 설정 전압 비교를 반복하게 된다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 정전압 구간에서 제 1 시간 주기로 충전을 중지하고, 상기 충전이 중지된 지 제 2 시간 이후 상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)을 측정하여 제 1 설정 전압과 비교하여 충전 종료 시점을 판단함으로써, 상기 배터리 팩의 충전을 위해 최대 허용 충전 전압이 인가되는 경우에도 상기 배터리 팩이 과충전되는 것을 방지한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩에 인가되는 충전 전압의 파형도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
110 : 전지 조립체 120 : 전지 관리 시스템
130 : 제어부 140 : 2차 보호소자
150 : 충방전 제어부 151 : 충전 스위치
152 : 방전 스위치

Claims (22)

  1. 하나 또는 다수의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩의 충전 방법에 있어서,
    상기 이차 전지를 정전류-정전압 방식으로 충전하고,
    상기 이차 전지에 인가되는 충전 전압을 측정하고,
    상기 이차 전지의 충전 전압이 제 1 설정 전압 이상인 경우 충전을 중지하고,
    충전을 중지한 지 제 1 시간 이후에 상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)를 측정하고,
    상기 측정된 무부하 전압(OCV)이 제 2 설정 전압 이상인 경우 상기 배터리 팩의 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전지에 인가되는 충전 전압이 제 1 설정 전압 이상인 경우 제 2 시간 주기로 상기 배터리 팩의 충전을 중지하고, 상기 이차 전지의 무부하 전압(OCV)의 측정을 반복하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 시간은 상기 제 2 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 시간은 1 내지 2분인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 충전 전압이 제 1 설정 전압 이상인 경우 상기 제 2 시간 동안 충전한 이후에 충전을 중지하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정된 무부하 전압(OCV)가 제 2 설정 전압 미만인 경우, 상기 이차 전지에 상기 제 1 설정 전압을 충전 전압으로 인가하여 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시간은 5 내지 10초인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 설정 전압은 상기 정전류-정전압 방식에 있어서, 정전류 구간에서 정전압 구간으로 전환되는 충전 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방 법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 무부하 전압(OCV)는 상기 제 1 시간 동안 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 측정 방법.
  10. 하나 또는 다수의 베어 셀 및 상기 베어 셀의 충방전을 제어하는 전지 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 충전 방법에 있어서,
    상기 전지 관리 시스템을 통해 상기 베어 셀에 인가되는 충전 전압을 측정하고,
    상기 측정된 충전 전압이 제 3 설정 전압 이상인 경우, 제 3 시간 주기로 충전을 중지시키고,
    충전이 중지된 지 제 4 시간 후 상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)을 측정하고,
    상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)이 제 4 설정 전압 이상인 경우, 상기 배터리 팩의 충전을 완료하는 것을 포함하는 배터리 팩의 충전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 충전 전압은 정전류-정전압 방식으로 인가되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 3 설정 전압은 상기 정전류 구간에서 정전압 구간으로 전환되는 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 시간은 상기 제 4 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 시간은 1 내지 2분인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 4 시간은 5 내지 10초인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 무부하 전압(OCV)은 상기 제 4 시간 동안 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  17. 하나 또는 다수의 단위 전지를 포함하는 전지 조립체;
    상기 전지 조립체의 충방전을 제어하며, 상기 전지 조립체의 무부하 전압에 따라 상기 전지 조립체의 충전을 제어하는 전지 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전지 관리 시스템은
    상기 전지 조립체의 충전 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 전지 조립체의 무부하 전압(OCV)을 측정하는 OCV 측정부;
    상기 전지 조립체의 충전 전압 및 무부하 전압과 설정 전압을 비교하기 위한 전압 비교부; 및
    상기 전압 비교부로부터 신호를 인가받아 전지 조립체의 만충전을 판단하는 만충전 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제 18 항에 있어서
    상기 전압 비교부는 상기 전지 조립체의 충전 전압과 제 5 설정 전압을 비교하는 제 1 전압 비교부 및 상기 전지 조립체의 무부하 전압과 제 6 설정 전압을 비교하는 제 2 전압 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제 18 항에 있어서
    상기 전지 관리 시스템은 상기 전지 집합체의 충전 상태에 따라 상기 전지 집합체의 충방전을 제어하는 보호회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  21. 제 20 항에 있어서
    상기 전지 관리 시스템은 상기 전지 집합체와 외부 단자 사이에 전기적으로 연결되며, 상기 만충전 검출부 및 보호회로로부터 신호를 인가받아, 상기 전지 집합체와 외부 단자 사이의 전기적 연결을 제어하기 위한 충방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제 21 항에 있어서
    상기 충방전 제어부는 충전 FET 소자 및 방전 FET 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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