KR20130036729A - 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간단하고 효율적으로 배터리를 충전할 수 있는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리의 전압을 측정하는 전압측정부; 상기 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전을 진행하는 초반부 충전 모드와, 충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 충전을 진행하는 후반부 충전 모드에 대응하는 충전제어 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 충전제어 신호에 대응하는 충전전력을 상기 배터리에 제공하는 충전부;를 포함하고, 상기 충전전력의 단계적 하향 조정 시점은, 조정된 충전전력에 의해 상기 배터리의 전압이 상기 차단전압에 재 도달하는 시점과 서로 연계되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 간단하고 효율적으로 배터리의 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있다.

Description

배터리 충전 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BATTERY CHARGING}
본 발명은 배터리의 충전 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전 알고리즘의 개선을 통해서 효율적으로 배터리의 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, EV, HEV, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높아 여러 분야에서 각광을 받고 있다.
상기와 같은 이차 전지는 작동 전압내에서 동작하도록 충전이 된다. 일반적인 리튬 이차 전지의 작동 전압은 3.7V ~ 4.2V의 구간을 가진다. 따라서 이차 전지가 만충전되었을 때 이차 전지의 개방 전압은 4.2V가 된다. 그러나 이차 전지의 충전은 항상 동일 조건에서 이루어 지는 것이 아니다. 즉, 이차 전지에 부하가 연결된 상태 또는 부하에 전력을 공급하는 과정에서도 충전이 이루어질 수 있다. 예를 들어, Hybrid Electric Vehicle에 탑재된 배터리의 경우 차량 구동 모터에 연결되어 전력을 공급함과 동시에 엔진으로부터 충전 전력을 공급받는 것이 가능하다. 이처럼, 이차 전지가 부하에 연결되어 있거나 충방전중에 이차 전지의 전압을 측정하면 부하 효과에 의해 이차 전지의 정확한 전압을 측정할 수 없다. 그 결과 부하에 연결된 상태에서 이차 전지를 충전할 때, 이차 전지의 전압만을 측정하여 이차 전지가 만충전에 도달하였는지 확인하기 어렵다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 종래 기술로서 SOC(State Of Charge)를 기준으로 충전하는 알고리즘이 있다. 이차 전지가 부하에 전력을 공급할 때, 이차 전지에서 부하에 공급되는 전류를 측정하고 이를 합산하여 총 방전량을 저장한다. 이후 충전시 이차 전지의 전압을 기준으로 충전하지 않고 총 방전량에 해당하는 만큼 충전 전류를 공급하여 만충전에 도달하는 방법이다. 그러나 상기 기술은 충방전 과정에서 발생하는 SOC측정 오차의 누적에 의해 충방전 횟수가 늘어날수록 만충전 달성률이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 만충전을 달성할 수 있는 새로운 충전 알고리즘이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 간단하고 효율적으로 배터리를 충전할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리의 전압을 측정하는 전압측정부; 상기 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전을 진행하는 초반부 충전 모드와, 충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 충전을 진행하는 후반부 충전 모드에 대응하는 충전제어 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 충전제어 신호에 대응하는 충전전력을 상기 배터리에 제공하는 충전부;를 포함하고, 상기 충전전력의 단계적 하향 조정 시점은, 조정된 충전전력에 의해 상기 배터리의 전압이 상기 차단전압에 재 도달하는 시점과 서로 연계되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 차단전압(Vc)은 배터리의 만충전시 개방전압보다 높게 설정된다. 바람직하게, 상기 차단전압(Vc)은 배터리의 충전종료시 개방전압이 만충전시 개방전압의 95%이상이 되도록 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 초반부 충전 모드는 정전력 방식, 정전류 방식, 정전압 방식 또는 이들의 혼합 방식을 사용하여 충전이 진행된다.
한편, 상기 후반부 충전 모드에서 상기 충전전력에 대한 단계적 감소량(△P)은, 상기 초반부 충전 모드가 종료될 때 적용된 충전전력(CP0)의 1/5이하로 설정될 수 있다.
또한, 상기 후반부 충전 모드에서 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정하게 설정될 수 있고, 비례적으로 증가 또는 감소하도록 설정될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 후반부 충전 모드는, 단계적으로 하향 조정된 현재 시점의 충전전력 수준이 미리 설정한 임계치에 도달되었을 때 종료된다. 일예로, 상기 임계치는 0W로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 상기 차단전압, 상기 충전전력의 단계적 감소량 및 상기 후반부 충전 모드가 종료될 때의 충전전력 조건을 저장하고 있는 메모리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리와 이로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템은 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하는 배터리가 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 배터리가 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 다수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 셀 어셈블리와 이러한 셀 어셈블리의 충방전을 제어하는 BMS(Battery Management System)를 포함하는 배터리 팩의 일 구성요소가 될 수 있다.
이러한 경우, 상기 배터리 충전 장치는 BMS와 통합될 수도 있고 별도의 회로 장치를 구성하는 것도 가능하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 충전 방법은, 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전을 진행하는 초반부 충전 단계; 및 충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 충전을 진행하는 후반부 충전 단계;를 포함하고, 상기 충전전력의 단계적 하향 조정 시점은, 조정된 충전전력에 의해 상기 배터리의 전압이 상기 차단전압에 재 도달하는 시점과 서로 연계되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 간단하고 효율적으로 배터리의 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 충전하고자 하는 배터리의 특성, 사용 환경등을 고려하여 차단전압(Vc) 및 단계적 충전전력 감소량(△P)을 설정하여 배터리의 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반복적인 충전과정에서 발생할 수 있는 측정오차를 기준으로 충전을 진행하지 않으므로 충전 횟수에 관계없이 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초반부 충전 모드 및 후반부 충전 모드에서 배터리의 전압 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초반부 충전 모드 및 후반부 충전 모드에서 충전전력의 변화 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)에 대해서 개시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)는 전압측정부(110), 제어부(120) 및 충전부(130)를 포함한다.
상기 전압측정부(110)는 배터리의 충전이 진행되는 동안 배터리의 전압을 측정한다. 배터리의 전압 측정 기술은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상을 지식을 가진 자(이하 '당업자')에게 공지의 기술인바 자세한 설명은 생략한다.
상기 제어부(120)는 초반부 충전 모드와 후반부 충전 모드를 통해 충전부(130)를 제어한다. 초반부 충전 모드는 미리 설정된 초반부 충전전력으로 배터리의 충전을 시작하여, 상기 전압측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전을 진행하는 충전 모드이다. 후반부 충전 모드는 초반부 충전 모드가 종료될 때의 충전전력을 기준으로 후반부 충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 충전을 진행하는 충전 모드이다. 상기 제어부(120)는 상기 2가지 충전모드에 대응하는 충전제어 신호를 상기 충전부(130)로 출력한다.
상기 충전부(130)는 상기 제어부(120)가 출력하는 충전제어 신호에 대응하는 충전전력을 배터리에 제공한다. 이를 위해, 상기 충전부(130)는 충전전력의 생성에 필요한 전력을 공급하는 전력공급수단(미도시)과 전기적으로 커플링된다. 상기 전력공급수단의 예로는, 상용 전력망, 대용량 전력저장장치, 제너레이터 등을 들 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 배터리에 임의의 크기를 갖는 충전전력을 제공하는 충전 기술은 당업자에게 공지의 기술인바 자세한 설명은 생략한다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 초반부 충전 모드 및 후반부 충전 모드에 대해서 좀 더 자세히 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3은 초반부 충전 모드 및 후반부 충전 모드에 따른 배터리의 전압프로파일 및 충전전력의 변화 프로파일을 나타낸 그래프이다.
먼저, 초반부 충전 모드에서 상기 제어부(120)는 미리 설정된 초반부 충전전력(CP0)으로 배터리가 충전되도록 상기 충전부(130)를 제어한다. 초반부 충전전력(CP0)은 충전하고자 하는 배터리의 특성 및 사용자의 요구에 맞추어 다양하게 설정될 수 있다. 따라서, 상기 초반부 충전 모드는 정전력 방식, 정전류 방식, 정전압 방식 또는 이들의 혼합 방식을 사용하여 진행할 수 있다.
도 2 및 도 3에는, 초반부 충전전력(CP0)이 정전력 방식으로 배터리를 충전하는 경우가 예시되어 있지만, 상기 초반부 충전전력(CP0)은 충전 방식이 무엇인지에 따라 충전이 진행되는 동안 크기가 고정될 수도 있고 가변될 수도 있음은 자명하다. 또한, 상기 초반부 충전 모드에서 상기 제어부(120)는 상기 전압측정부(110)에서 측정한 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전이 진행되도록 제어한다.
본 발명에 따르면, 상기 차단전압(Vc)은 배터리의 만충전시 개방전압보다 높게 설정된다. 이는 충전중 측정된 배터리의 전압은 개방전압보다 높다는 것을 고려한 것이다. 이처럼 차단전압(Vc)을 배터리의 만충전시 개방전압보다 높게 설정하면 보다 효율적으로 만충전시 도달되는 전압을 상승시킬 수 있다.
바람직하게 상기 차단전압(Vc)은 배터리의 충전종료시 개방전압이 만충전시 개방전압의 95%이상이 되도록 설정될 수 있다. 본 발명에 따르면 차단전압(Vc)의 설정값에 따라 충전 종료시 배터리의 개방전압값이 달라진다. 따라서 실제 사용하고자 하는 배터리에 대해 다양한 차단전압(Vc)값을 설정하고, 다양한 차단전압(Vc)값에 따른 실제 충전 실험을 통하여 다양한 충전종료시 개방전압값을 얻을 수 있다. 이때 실험을 통해 얻은 다양한 충전종료시 개방전압값중, 만충전시 개방전압의 95%이상에 해당되는 충전종료시 개방전압값을 찾을 수 있다. 따라서 만충전시 개방전압의 95%이상이 되는 충전종료시 개방전압에 해당하는 차단전압(Vc)을 본 발명의 차단전압(Vc)값으로 설정할 수 있다.
상기와 같이 차단전압(Vc)은 충전하고자 하는 배터리의 특성 및 사용자의 요구에 맞추어 다양하게 설정될 수 있다. 차단전압(Vc)을 배터리의 특성에 맞게 다양하게 설정하면 보다 효율적으로 만충전시 도달되는 전압을 상승시킬 수 있다.
다음으로, 후반부 충전 모드에서 상기 제어부(120)는 충전부(130)를 제어하여 초반부 충전모드가 종료된 시점의 충전전력을 기준으로 충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 배터리를 충전시킨다. 이때 충전전력의 단계적 하향 조정 시점은, 조정된 충전전력에 의해 상기 전압측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 전압이 상기 차단전압(Vc)에 재 도달하는 시점과 서로 연계되어 있는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 초반부 충전전력(CP0)으로 충전되던 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달하면, 상기 제어부(120)는 초반부 충전모드가 종료된 시점의 충전전력(CP0)에서 미리 설정한 감소량(△P)만큼 충전전력을 감소한 후반부 충전전력(CP1)으로 배터리가 충전되도록 상기 충전부(130)를 제어한다. 상기 충전부(130)가 후반부 충전전력(CP1)으로 배터리를 충전하여 배터리의 전압이 다시 차단전압(Vc)에 도달하면, 또 다시 상기 제어부(120)는 후반부 충전전력(CP1)에서 미리 설정한 감소량(△P)만큼 충전전력을 감소한 후반부 충전전력(CP2)로 배터리가 충전되도록 상기 충전부(130)를 제어한다. 이러한 차단전압(Vc)과 연계한 충전전력의 단계적 하향 조정은, 충전전력의 레벨이 미리 설정한 임계치까지 감소할 때까지 반복된다.
상기 제어부(120)가 후반부 충전전력을 단계적으로 하향 조정하도록 충전제어 신호를 상기 충전부(130)로 출력할 때 충전전압을 낮추거나, 충전전류를 낮추거나 또는 충전전압과 충전전류를 함께 낮추는 충전제어 신호를 상기 충전부(130)로 출력할 수 있다.
일 예시로서, 배터리의 전압의 차단전압(Vc)에 도달할 때마다, 상기 충전부(130)에서 출력되는 충전전압은 점차적으로 상기 차단전압(Vc)에 가깝워지도록 감소시키며, 동시에 상기 충전부(130)에서 출력되는 충전전류 역시 점차적으로 감소될 수 있다. 이때, 낮아진 충전전압과 충전전류의 곱은 미리 설정한 충전 전력 감소량(△P)에 해당하도록 상기 제어부(120)가 충전제어 신호를 출력한다.
다른 예시로서, 배터리의 전압의 차단전압(Vc)에 도달할 때마다, 상기 충전부(130)에서 출력되는 충전전압은 상승하며, 동시에 상기 충전부(130)에서 출력되는 충전전류 점차적으로 감소될 수 있다. 이때, 상승되는 충전전압의 폭은 배터리의 차단전압(Vc) 또는 추정되는 배터리의 현재 충전량을 고려하여 원활한 충전이 이루어질 수 있도록 상승폭을 설정할 수 있다. 즉, 후반부 충전이 진행될 수록 배터리의 충전량은 증가할 것이다. 이때, 충전을 중단하고 직접 배터리의 개방전압을 측정하지 않더라고, 추정되는 배터리의 개방전압 역시 점차적으로 상승할 것이다.따라서, 상기 제어부(120)에서 상기 충전부(130)와 배터리 사이의 전압차이를 유지하도록 충전제어 신호를 출력할 수 있다. 물론, 상승된 충전전압과 낮아진 충전전류의 곱은 미리 설정한 충전 전력 감소량(△P)에 해당하도록 상기 제어부(120)가 충전제어 신호를 출력한다. 이때, 상승되는 충전전압의 폭은 상기 메모리부(140)에 미리 설정되어 저장될 수 있다. 이러한 방식으로, 충전 전력을 제어하면 배터리가 만충전되었을 때의 개방 전압을 배터리가 사용 가능한 전압 범위에서 최대한 증가시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에는, 초반부 충전모드가 종료되었을 때의 충전전력(CP0)을 기준으로 6번에 걸쳐 동일한 폭으로 충전전력을 감소시켜 충전전력이 0W가 되었을 때 후반부 충전모드가 종료된 경우가 예시되어 있다. 하지만 충전전력에 대한 단계적 감소량(△P)과 후반부 충전모드가 종료되는 충전전력의 임계치는 배터리의 특성에 맞게 다양하게 설정할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 실시예는 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달하면, 잠시 충전을 중단하고 상기 배터리의 전압이 안정된 후 다시 배터리의 충전을 진행하는 실시예이다. 일반적으로 충전 중에 측정된 배터리의 전압은 배터리의 개방 전압(OCV)보다 높게 측정되며, 충전이 중단되면 배터리의 전압이 안정화되는 과정에서 배터리 전압이 약간 내려간다. 도 2는 배터리의 전압이 상기 미리 설정한 차단전압(Vc)에 재도달하는 것을 이해하기 쉽도록 도시한 것으로, 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달하면 잠시 휴지기를 갖는 실시예를 도시한 것이다. 그러나, 본 발명은 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달한 후 휴지기가 없이 충전되거나 또는 상기 도 2에 도시된 예시보다 더 짧은 시간동안만 휴지기를 가지고 충전될 수도 있다. 따라서, 본 발명을 도 2에 도시된 예시에 한정되지 않는다.
바람직하게, 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 초반부 충전 모드가 종료될 때 적용된 충전전력(CP0)의 1/5이하이다. 또한, 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정할 수도 있고 비례적으로 증가 또는 감소할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 충전 장치(100)는 상기 차단전압(Vc), 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P) 및 상기 후반부 충전 모드가 종료될 때의 충전전력 조건(임계치)을 저장하고 있는 메모리부(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 메모리부(140)는 RAM, ROM, EEPROM등 데이터를 기록하고 소거할 수 있다고 알려진 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 대용량 저장매체로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 제어부(120)는 본 발명에 따른 2원화된 충전 모드를 진행하기 위한 프로그램 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수 있다. 대안적으로, 상기 제어부(120)는 본 발명에 따른 2원화된 충전 모드의 제어 흐름을 논리 회로로 구현한 반도체 칩으로도 구성할 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리와 이로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템의 일예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일예로는 배터리가 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 배터리가 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
나아가 본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 다수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 셀 어셈블리와 이러한 셀 어셈블리의 충방전을 제어하는 BMS(Battery Management System)를 포함하는 배터리 팩의 일 구성요소가 될 수 있다. 이러한 경우, 상기 배터리 충전 장치는 BMS와 통합될 수도 있고 별도의 회로 장치를 구성하는 것도 가능하다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법에 대해서 개시하도록 한다. 본 발명에 따른 배터리 충전 방법을 설명함에 있어, 상술한 배터리 충전 장치(100)에서 상세히 설명된 부분에 대해서는 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
본 발명에 따른 배터리 충전 방법은 초반부 충전 단계 및 후반부 충전 단계를 포함한다. 초반부 충전 단계는 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전을 진행하는 충전 단계이고, 후반부 충전 단계는 충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 충전을 진행하는 충전 단계이다. 이때 충전전력의 단계적 하향 조정 시점은, 조정된 충전전력에 의해 상기 배터리의 전압이 상기 차단전압(Vc)에 재 도달하는 시점과 서로 연계되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 충전 방법을 좀 더 자세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 4에서 단계 S410 및 S420은 초반부 충전 단계, S430 내지 S460은 후반부 충전 단계에 해당한다.
도 4를 참조하면, 먼저 초반부 충전 단계인 S410에서, 제어부(120)는 미리 설정된 초반부 충전전력으로 배터리가 충전되도록 상기 충전부(130)를 제어한다. 상기 초반부 충전 단계는 정전력 방식, 정전류 방식, 정전압 방식 또는 이들의 혼합 방식을 사용하는 단계가 될 수 있다.
다음으로 단계 S420에서, 제어부(120)는 전압측정부(110)에서 측정한 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승하였는지 여부를 판단한다. 만약, 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달하지 못하였으면, 단계 S410으로 돌아가서 계속 충전을 진행한다. 반면, 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달하였으면, 초반부 충전 단계를 마치고 후반부 충전 단계인 S430으로 이행한다.
후반부 충전 단계인 S430에서, 제어부(120)는 초반부 충전모드가 종료된 시점의 충전전력에서 미리 설정한 충전전력의 단계적 감소량(△P)만큼을 감소시킨다. 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정하거나 비례적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
그리고 단계 S440으로 이행해서 단계 S430에서 감소된 충전전력이 임계치에 도달하였는지 여부를 판단한다. 만약, 감소된 충전전력이 임계치에 도달하였다면, 충전 절차를 종료한다. 반면, 감소된 충전전력이 임계치에 도달하지 않았다면, 단계 S450으로 넘어간다.
단계 S450에서, 제어부(120)는 감소된 충전전력 즉, 후반부 충전 단계에 대응하는 제어신호를 충전부(130)에 출력하여 후반부 충전 전력(CPn)으로 배터리가 충전되도록 충전부(130)를 제어한다.
다음으로 단계 S460에서, 제어부(120)는 전압측정부(110)에서 측정한 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승하였는지 여부를 판단한다. 만약, 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달하지 못하였으면, 단계 S450으로 돌아가서 계속 충전을 진행한다. 반면, 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 도달하였으면, 단계 S430으로 돌아간다.
상기와 같이, 제어부(120)는 충전전력을 단계적으로 감소시켜 충전전력이 미리 설정한 임계치 도달할 때까지 후반부 충전 단계를 진행하고, 충전전력이 미리 설정한 임계치 도달하게 되면 충전을 종료하게 된다. 일 예로 임계치는 0W가 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 차단전압(Vc)은 배터리의 만충전시 개방전압보다 높게 설정되며, 바람직하게 상기 차단전압(Vc)은 배터리의 충전종료시 개방전압이 만충전시 개방전압의 95%이상이 되도록 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 후반부 충전 단계에서, 상기 충전전력에 대한 단계적 감소량(△P)은 상기 초반부 충전단계가 종료될 때 적용된 충전전력(CP0)의 1/5이하일 수 있다. 또한, 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정하거나 비례적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 충전 방법은, 메모리부(140)에 상기 차단전압(Vc), 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P) 및 상기 후반부 충전 단계가 종료될 때의 충전전력 조건을 저장하는 저장 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 간단하고 효율적으로 배터리의 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있다. 또한, 충전하고자 하는 배터리의 특성, 사용 환경등을 고려하여 차단전압(Vc) 및 단계적 충전전력 감소량(△P)을 설정하여 배터리의 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있다. 게다가, 반복적인 충전과정에서 발생할 수 있는 측정오차를 기준으로 충전을 진행하지 않으므로 충전 횟수에 관계없이 만충전시 도달되는 전압 수준을 상승시킬 수 있다.
<실험예>
이하에서는 본 발명을 실험예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 그러나, 실험예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 43.5Ah 용량을 가지며 만방전이 이루어진 리튬 이차 전지에 본 발명에 따른 충전 장치를 연결한 후 리튬 이차 전지를 상온으로 유지되는 챔버에 위치시켰다. 그런 다음, 충전전력을 2.1kW로 일정하게 유지하면서 배터리의 전압이 차단전압(Vc)에 해당하는 4.135V로 상승할 때까지 초반부 충전모드를 진행하였다. 이어서, 충전전력을 2.1kW부터 0.3kW씩 단계적으로 하향 조정하면서 후반부 충전모드를 진행하였다. 이 때, 충전전력의 하향 조정 시점은 조정된 충전전력에 의해 배터리의 전압이 차단전압(Vc)까지 상승한 시점과 연계 시켰으며, 총 7번에 걸쳐 충전전력을 조정하여 충전전력이 0W가 되었을 때 후반부 충전모드를 종료하였다.
상기 실험조건에 따라 배터리의 충전을 완료한 후 배터리의 개방전압을 측정한 결과 그 값은 4.1253V로 측정되었다. 한편, 본 실험에서 사용된 리튬 이차 전지의 경우 SOC 100%에 해당하는 충전 개방전압의 상한은 4.2V이다. 하지만 과충전을 방지하기 위해 리튬 이차 전지의 만충전 개방전압은 5% 정도의 마진을 두어 SOC 95%에 해당하는 4.12V로 설정되어 있다. 그런데 본 발명에 따른 충전 방법을 적용한 결과 배터리의 개방전압이 95.38%에 해당하는 4.1253V까지 증가하였음을 알 수 있으며, 이러한 실험 결과로부터 본 발명에 따라 배터리를 충전할 경우 간단하고 효율적으로 배터리의 만충전시 도달되는 개방전압 수준을 상승시켜 배터리의 용량을 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 도 1 등에 도시된 본 발명의 배터리 충전 장치(100)에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
100 : 배터리 충전 장치 110 : 전압측정부
120 : 제어부 130 : 충전부
140 : 메모리부

Claims (33)

  1. 배터리의 전압을 측정하는 전압측정부;
    상기 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전을 진행하는 초반부 충전 모드와, 충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 충전을 진행하는 후반부 충전 모드에 대응하는 충전제어 신호를 출력하는 제어부; 및
    상기 충전제어 신호에 대응하는 충전전력을 상기 배터리에 제공하는 충전부;를 포함하고,
    상기 충전전력의 단계적 하향 조정 시점은, 조정된 충전전력에 의해 상기 배터리의 전압이 상기 차단전압에 재 도달하는 시점과 서로 연계되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차단전압(Vc)은 배터리의 만충전시 개방전압보다 높게 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차단전압(Vc)은 배터리의 충전종료시 개방전압이 만충전시 개방전압의 95%이상이 되도록 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후반부 충전 모드에서, 상기 충전전력에 대한 단계적 감소량(△P)은 상기 초반부 충전 모드가 종료될 때 적용된 충전전력(CP0)의 1/5이하인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 후반부 충전 모드에서, 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정한 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 후반부 충전 모드에서, 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 비례적으로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 후반부 충전 모드에서, 단계적으로 하향 조정된 현재 시점의 충전전력 수준이 미리 설정한 임계치에 도달되었을 때 종료되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 임계치는 0W임을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 후반부 충전 모드에서, 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정하고,
    상기 후반부 충전 모드는, 단계적으로 하향 조정된 현재 시점의 충전전력 수준이 미리 설정한 임계치에 도달되었을 때 종료되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 임계치는 0W임을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 초반부 충전 모드는, 정전력 방식, 정전류 방식, 정전압 방식 또는 이들의 혼합 방식을 사용하여 충전을 진행하는 모드임을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 후반부 충전 모드에서 충전전압, 충전전류 또는 충전전압과 충전전류를 함께 감소시키는 충전제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 후반부 충전 모드에서 충전전압 및 충전전류를 함께 감소시키는 충전제어 신호를 출력함에 있어서, 상기 충전전압이 상기 차단전압에 가까워지도록 감소시키는 충전제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 후반부 충전 모드에서 충전전류를 감소시키는 충전제어 신호를 출력함에 있어서, 상기 충전전압이 미리 설정된 전압폭에 따라 상승시키는 충전제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 차단전압, 상기 충전전력의 단계적 감소량 및 상기 후반부 충전 모드가 종료될 때의 충전전력 조건을 저장하고 있는 메모리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  16. 배터리;
    상기 배터리로부터 전력을 공급받는 부하; 및
    상기 배터리를 충전하는 상기 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 충전 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 부하는 전기구동 수단 또는 휴대용 기기임을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  18. 배터리; 및
    상기 배터리를 충전하는 제1항 내지 제15항 중 어는 한 항에 따른 배터리 충전 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 배터리의 전압이 미리 설정한 차단전압(Vc)까지 상승할 때까지 충전을 진행하는 초반부 충전 단계; 및
    충전전력을 단계적으로 하향 조정하면서 충전을 진행하는 후반부 충전 단계;를 포함하고,
    상기 충전전력의 단계적 하향 조정 시점은, 조정된 충전전력에 의해 상기 배터리의 전압이 상기 차단전압에 재 도달하는 시점과 서로 연계되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 차단전압(Vc)은 배터리의 만충전시 개방전압보다 높게 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 차단전압(Vc)은 배터리의 충전종료시 개방전압이 만충전시 개방전압의 95%이상이 되도록 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 후반부 충전단계에서, 상기 충전전력에 대한 단계적 감소량(△P)은 상기 초반부 충전단계가 종료될 때 적용된 충전전력(CP0)의 1/5이하인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 후반부 충전 단계에서, 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정한 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 후반부 충전 단계에서, 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 비례적으로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 후반부 충전 단계에서, 단계적으로 하향 조정된 현재 시점의 충전전력 수준이 미리 설정한 임계치에 도달되었을 때 종료되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 임계치는 0W임을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  27. 제19항에 있어서,
    상기 후반부 충전 단계에서, 상기 충전전력의 단계적 감소량(△P)은 일정하고,
    상기 후반부 충전 단계는, 단계적으로 하향 조정된 현재 시점의 충전전력 수준이 미리 설정한 임계치에 도달되었을 때 종료되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 임계치는 0W임을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  29. 제19항에 있어서,
    상기 초반부 충전 단계는, 정전력 방식, 정전류 방식, 정전압 방식 또는 이들의 혼합 방식을 사용하여 충전을 진행하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  30. 제19항에 있어서,
    상기 후반부 충전 단계는, 충전전압, 충전전류 또는 충전전압과 충전전류를 함께 감소시켜 충전전력을 단계적으로 하향 조정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 후반부 충전 단계는, 충전전압 및 충전전류를 함께 감소시키는 충전제어 신호를 출력함에 있어서, 상기 충전전압이 상기 차단전압에 가까워지도록 감소시켜 충전전력을 단계적으로 하향 조정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 후반부 충전 단계는, 충전전류를 감소시키는 충전제어 신호를 출력함에 있어서, 상기 충전전압이 미리 설정된 전압폭에 따라 상승시켜 충전전력을 단계적으로 하향 조정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  33. 제19항에 있어서,
    메모리부에 상기 차단전압, 상기 충전전력의 단적 감소량 및 상기 후반부 충전 단계가 종료될 때의 충전전력 조건을 저장하는 저장 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
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