KR20150072409A

KR20150072409A - 배터리 팩의 사이클 수명 용량을 개선하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20150072409A
Application number: KR1020157010187A
Authority: KR
Inventors: 호세인 말레키; 제랄드 에이. 할마크
Original assignee: 구글 테크놀로지 홀딩스 엘엘씨
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-06-29
Also published as: EP2898584B1; KR101668971B1; EP2898584A2; CN105052001A; WO2014046805A3; WO2014046805A2; US9787106B2; US20140077769A1; CN105052001B

Abstract

배터리의 사이클 수명에 걸쳐 배터리의 에너지 저장 용량의 변동을 감소시키는 방법(900)이 개시된다. 이 방법은 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 배터리의 하나 이상의 셀의 하나 이상의 전압을 모니터링하는 단계 901을 포함할 수 있다. 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 하나 이상의 전압의 프로파일이 사전 정의된 사용 기준을 충족시키는 경우에, 이 방법은 하나 이상의 셀의 방전 전압 한계를 증가시키는 단계 907을 포함할 수 있다. 방전 한계에 도달될 때 방전 한계를 증가시키고 셀들의 방전을 제한하기 위해 동작 가능한 제어 회로(702)를 갖는 에너지 관리 회로(614)가 구성될 수 있다.

Description

배터리 팩의 사이클 수명 용량을 개선하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVING CYCLE LIFE CAPACITY OF A BATTERY PACK}

본 발명은 일반적으로 에너지 관리에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 배터리 사이클 수명을 개선하기 위한 충전 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.

예를 들어 셀룰러 전화, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 페이저 및 양방향 라디오와 같은 휴대용 전자 디바이스들은 그들의 휴대성을 재충전 가능한 셀들을 갖는 배터리들로부터 획득한다. 이러한 배터리들은 이러한 디바이스들로 하여금 벽에 고정된 전력 공급기에 얽매이지 않고서 사용자들이 갈 수 있는 어느 곳이나 사용자들과 함께 무선으로 이동하는 것을 가능하게 한다. 이러한 디바이스들 중 하나의 디바이스 내에 배치된 통상적인 배터리는 그의 수명 동안 수백 번 충전 및 방전될 수 있다. 이것은 특히 사람들이 점점 더 그들의 개인용 디바이스들에 일상적으로 의존함으로 인해 그러하다.

재충전 가능한 배터리가 신품일 때, 그 배터리 내의 셀들은 통상적으로 그들의 최대 정격 용량으로 충전될 수 있다. 즉, 배터리가 신품일 때는 셀 용량의 100%가 에너지를 저장하고 전달하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 배터리가 그의 수명 동안 충전 및 방전됨에 따라, 배터리의 디바이스 급전 능력의 척도인 배터리의 에너지 저장 용량은 셀들 내의 화학적 변화로 인해 감소한다. 예를 들어, 대략 400번의 충전/방전 사이클 후에, 배터리 내의 셀들은 그들의 원래의 최대 용량의 85% 이하로만 충전 가능할 수 있다. 결과적으로, 사용자는 배터리로부터 자신의 전력을 수신하는 휴대용 전자 디바이스가 처음에 제공했던 것만큼의 활발한 동작들을 위한 동작 시간 또는 충전 사이클들 사이의 대기 동작들을 위한 유휴 시간을 제공하지 못한다는 것을 인지할 수 있다.

시간 경과에 따른 용량 변화를 감소시킬 수 있는 것이 유리할 것이다.

개별 도면들 전반에서 동일한 참조 번호들이 동일하거나 기능적으로 유사한 요소들을 나타내는 그리고 하기의 상세한 설명과 더불어 본 명세서 내에 포함되고 그 일부를 형성하는 첨부 도면들은 또한 다양한 실시예들을 예시하며, 본 발명에 따른 다양한 원리들 및 장점들을 모두 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 셀 용량을 측정하기 위한 테스팅 환경을 나타낸다.
도 2는 종래 기술의 셀 용량 감소와 대비하여, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 셀들이 사용될 때의 충전/방전 사이클들의 증가에 따른 셀 용량 감소를 나타낸다.
도 3은 종래 기술의 셀들과 대비하여, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용되는 셀들에 대한 누적 방전 시간에 따른 셀 용량 감소를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 배터리들에 대한 하나의 설명적인 에너지 관리 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 방전 종료 전압의 증가와 용량 간의 절충(tradeoffs)을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 하나의 설명적인 에너지 관리 시스템을 나타낸다.
도 7은 배터리 내에서 사용하기에 적합하고 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 하나의 설명적인 제어 회로를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 하나의 설명적인 배터리를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 배터리 내의 셀들의 사이클 수명에 걸친 배터리 내의 셀들에 대한 충전 용량의 변화를 감소시키기 위한 하나의 설명적인 방법을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 제어 회로 및 하나 이상의 셀과 함께 동작 가능한 휴대용 전자 디바이스가 방전 종료 포인트를 변경하기 위한 허가를 요청하는 프롬프트(prompt)를 제시하는 일례를 나타낸다.
도 11은 종래 기술의 셀들과 대비하여, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용되는 셀들에 대한 누적 방전 용량을 나타낸다.
기술자들은 도면들 내의 요소들이 간결하고 명료하게 도시되며, 반드시 축척으로 그려진 것은 아니라는 것을 알 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들의 이해를 향상시키는 것을 돕기 위해 도면들 내의 일부 요소들의 치수들은 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 실시예들은 주로 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 배터리 팩 내의 하나 이상의 셀의 사이클 수명 동안의 충전 용량의 변화의 감소와 관련된 방법 단계들 및 장치 컴포넌트들의 조합들 내에 존재한다는 것을 알아야 한다. 흐름도들 내의 임의의 프로세스 설명들 또는 블록들은 프로세스 내의 특정 논리 기능들 또는 단계들을 구현하기 위한 하나 이상의 실행 가능 명령어를 포함하는 모듈들, 세그먼트들, 또는 코드 부분들을 표현하는 것으로 이해되어야 한다. 대안 구현들이 포함되며, 기능들은 관련 기능에 따라서는 실질적 동시 또는 역순을 포함하는, 도시 또는 설명되는 것과 다른 순서로 실행될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 장치 컴포넌트들 및 방법 단계들은 적절한 경우에 본 명세서에서의 설명의 혜택을 받는 이 분야의 통상의 기술자들에게 자명할 상세들로 본 개시 내용을 불명확하게 하지 않기 위해 본 발명의 실시예들의 이해와 관련되는 특정 상세들만을 나타내는 도면들 내의 통상의 기호들에 의해 표현되었다.

본 명세서에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 하나 이상의 통상적인 프로세서 및 고유한 저장된 프로그램 명령어들로 구성될 수 있으며, 프로그램 명령어들은 사전 결정된 논-프로세서(non-processor) 회로들과 연계하여 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 하나 이상의 셀에 대한 방전 종료 포인트를 변경하여 사이클 수명 동안 그들의 용량을 확장하는 기능들의 일부, 대부분, 또는 전부를 구현하도록 하나 이상의 프로세서를 제어한다. 논-프로세서 회로들은 무선 수신기, 무선 송신기, 신호 구동기, 클럭 회로, 전원 회로 및 사용자 입력 디바이스를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 따라서, 이러한 기능들은 사이클 수명 동안 충전 용량 변화를 감소시키기 위한 방법의 단계들로서 해석될 수 있다. 대안으로서, 일부 또는 모든 기능들은 저장된 프로그램 명령어를 갖지 않는 상태 기계에 의해 또는 각각의 기능 또는 사전 결정된 기능들의 일부 조합들을 맞춤형 논리로서 구현하는 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASIC)들에서 구현될 수 있다. 물론, 이러한 두 가지 접근법의 조합이 이용될 수 있다. 따라서, 이러한 기능들을 위한 방법들 및 수단들이 본 명세서에서 설명되었다. 또한, 통상의 기술자는 예를 들어 이용 가능한 시간, 현재의 기술 및 경제적 사정에 의해 동기 부여되는 아마도 상당한 노력 및 많은 설계 선택에도 불구하고 본 명세서에서 개시되는 개념들 및 원리들에 의해 안내될 때 최소한의 실험으로 그러한 소프트웨어 명령어들 및 프로그램들 및 IC들을 쉽게 생성할 수 있을 것으로 예상된다.

이제, 본 발명의 실시예들이 상세히 설명된다. 도면들을 참조하면, 동일한 번호들은 도면들 전반에서 동일한 요소들을 지시한다. 본 명세서에서의 설명 및 청구항들 전반에서 사용될 때, 아래의 용어들은 상황이 명확히 달리 지시하지 않은 한은 본 명세서에서 명확히 관련되는 의미들을 가지며, 관사("a", "an", 및 "the")의 의미는 복수의 의미를 포함하고, 에("in")의 의미는 내부에("in") 및 상에("on")의 의미를 포함한다. 제1 및 제2, 상부 및 하부 등과 같은 관계성 용어들은 단지 하나의 엔티티 또는 액션을 다른 엔티티 또는 액션과 구별하기 위해 사용될 수 있으며, 그러한 엔티티들 또는 액션들 사이의 임의의 실제의 그러한 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 의미하지는 않는다. 또한, 본 명세서에서 괄호 안에 표시되는 참조 지시자들은 논의중인 도면이 아닌 다른 도면 내에 도시된 컴포넌트들도 지시한다. 예를 들어, 도면 A를 설명하면서 디바이스(10)에 대해 언급하는 것은 도면 A가 아닌 다른 도면 내에 도시된 요소 10을 지칭할 것이다.

배터리 팩으로부터의 에너지에 대한 요구는 새로운 휴대용 디바이스들, 예를 들어 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 및 랩탑 컴퓨터의 출현으로 인해 꾸준히 증가하고 있다. 에너지 요구의 증가는 부분적으로는 이러한 디바이스들 내에 포함된 새로운 특징 세트들에 기인한다. 예를 들어, 이전에 이동 전화들은 전화 통화를 위해서만 사용되었지만, 오늘날에는 사용자들은 스마트폰을 이용하여 전화 통화를 행하고, 웹 서핑을 행하고, 비디오를 시청하고, 게임을 실행하고, 사진을 찍는다. 게다가, 오늘날 많은 스마트폰은 개인용 컴퓨터에 의해 사용되는 것들과 유사한 소프트웨어 운영 체제들을 실행한다. 이러한 디바이스들 중 다수는 터치 감지 스크린들 및 무선 접속을 포함하며, 이들 각각은 에너지 요구를 증가시킨다.

통상적인 리튬 이온 계열 또는 다른 타입의 하전 이온 계열 배터리 기술들이 어느 정도는 이러한 디바이스들에 급전할 수 있지만, 그들은 한계가 있다. 예를 들어, 근거리 무선 통신 능력, 광역 네트워크 통신 능력, 전력 소비가 많은 비디오 프로세서, 및 터치 감지 디스플레이를 채택하는 태블릿에서 리튬 이온 배터리를 사용할 때, 배터리는 높은 방전 레이트로부터 매우 낮은 방전 레이트까지 변하는 광범위한 전류 부하들을 처리할 수 있어야 한다. 통상적인 리튬 이온 배터리가 그러한 디바이스에 의해 요구되는 높은 방전 전류를 처리할 수 있게 하기 위해, 설계자는 통상적인 전화용의 일반적인 리튬 이온 배터리에서 발견되는 에너지 저장 용량의 일부를 희생해야 한다. 더욱이, 리튬 이온 또는 리튬 이온 폴리머 배터리들을 그들의 정격 전류 처리 능력들 이상으로 이용하려고 시도하는 것은 상당한 사이클 수명 저하를 유발하며, 심지어는 배터리 자체의 신뢰성을 손상시킬 수 있다.

표준 단일 셀 리튬 이온 배터리들은 통상적으로 4.2 볼트의 정격 충전 전압과 3.0 볼트의 정격 방전 전압 사이에서 동작한다. 이것은 셀 전압이 4.2 볼트로 상승할 때 충전 전류가 제한되거나 차단되며, 상응하게 셀 전압이 3.0 볼트로 떨어질 때 방전 전류가 제한되거나 차단된다는 것을 의미한다. 또한, 그러한 셀들은 통상적으로 "1-C" 레이트로 충전 또는 방전하도록 정격화된다. 이것은 충전 또는 방전 전류가 사전 결정된 레벨로 종종 제한된다는 것을 의미한다. 400 mA-h 셀에서, "1-C" 레이트는 충전 또는 방전 전류가 통상적으로 400 mA로 제한된다는 것을 의미한다.

리튬 이온 또는 리튬 이온 폴리머 배터리들과 같은 재충전 가능한 배터리들에서는 셀이 경험하는 충전 및 방전 사이클들의 수가 전체 배터리의 수명에 극적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 일반적으로, 충전 전압이 증가함에 따라, 배터리의 초기 용량도 증가한다. 그러나, 충전 전압의 증가는 배터리 사이클 수명을 감소시킬 것이다. 일례로서, 4.2 V의 정격 충전 전압을 갖는 표준 리튬 이온 배터리가 4.3 V로 충전되는 경우, 증가된 종료 전압은 배터리의 용량을 5% 내지 15% 증가시킨다. 그러나, 이러한 용량 증가를 달성하기 위해 배터리를 과충전하는 것의 결과는 배터리의 사이클 수명을 30% 내지 50% 감소시키는 것이다. 게다가, 과충전은 셀의 열 안정성 및 전체 배터리 신뢰성을 손상시킬 위험이 있다. 결과적으로, 제조자들은 재충전 가능한 배터리들의 내부 충전 레벨을, 응용에 효과적인 용량을 생성하지만 배터리 사이클 수명 또는 신뢰성에 크게 악영향을 주지 않는 레벨로 설정하려고 시도한다.

"고성능" 응용들에서, 제조자는 정격 충전 전압을 증가시킴으로써 충전 범위를 확장할 것이다. 사이클 수명에 대한 악영향을 막기 위해, 그러한 동일한 제조자들은 정격 충전 또는 방전 전류를 감소시킬 것이다. 예를 들어, 상이한 화학적 성질들을 갖는 상이한 고성능 리튬 이온 셀들에서, 정격 충전 전압은 4.35 볼트일 수 있다. 그러나, 정격 충전 또는 방전 전류는 단지 0.5-C 내지 0.7-C일 수 있다. 이러한 감소된 정격 전류가 충전 동안 초과되는 경우, 셀의 애노드 상에서 비정상들, 예로서 리튬 도금 또는 불균일한 전류 처리 분포가 발생하기 시작한다. 특히 도금은 셀 에너지 밀도의 저하 및 열 안정성 저하를 유발한다. 감소된 정격 전류가 방전 동안 초과되는 경우, 내부 가열이 발생할 수 있다. 이러한 내부 가열은 또한 배터리 사이클 수명을 감소시킨다.

이러한 문제들을 해결하기 위해, 셀에서 실리콘 또는 실리콘-탄소 계열 애노드 재료들을 사용하는 새로운 셀 기술이 개발되고 있다. 실리콘의 첨가는 셀의 동작 전압 범위의 증가를 가능하게 한다. 예를 들어, 실리콘 계열 애노드들을 갖는 리튬 셀들은 3.0 볼트의 정격 방전 전압을 갖는 것이 아니라, 2.5 볼트 내지 2.7 볼트의 정격 방전 전압을 갖는다.

본원의 발명자들은 실험 테스트를 통해 실리콘 계열 애노드들을 채택하는 셀들의 사이클 수명이 그의 상위 전압 범위에서만 동작할 때보다 그의 제조자가 규정한 전체 전압 범위(통상적으로 4.35 V 내지 2.7 V)에 걸쳐 동작할 때 훨씬 더 빠르게 저하된다는 것을 발견하였다. 따라서, 4.0 볼트로부터 2.7 볼트로 방전되는 셀의 용량은 그러한 동일 셀이 4.35 볼트로부터 3.6 볼트로 방전될 때보다 훨씬 더 빠르게 저하될 것이다.

실리콘 계열 애노드들을 갖는 셀들에서 발생하는 이러한 향상된 "상위 범위" 사이클 수명 성능은 실리콘을 갖지 않는 통상적인 흑연 계열 탄소, 예를 들어 흑연 애노드들을 갖는 셀들에서 발생하는 것과 정반대이다. 전통적인 셀들에서는, 셀이 그의 동작 전압 범위의 하단에서 동작할 때 사이클 수명이 보전된다. 따라서, 3.0 볼트 내지 4.35 볼트로 정격화된 통상의 셀의 경우, 4.0 볼트로부터 3.0 볼트로의 방전은 4.35 볼트로부터 3.5 볼트로의 셀 방전보다 사전 결정된 수의 사이클들에 걸쳐 더 많은 셀 용량을 보전할 것이다. 결과적으로, 자신의 부분적으로 방전된 셀을 야간에 (또는 대량으로 소비하는 사용자들의 경우에는 주간 동안에도) "최대로 충전하는" 사용자는 재충전 전에 자신의 배터리 내의 셀들을 완전히 방전시키는 사용자보다 시간 경과에 따른 더 많은 용량 손실을 경험할 것이다.

본 발명자들이 실리콘 계열 애노드들을 갖는 셀들이 사이클 수명 동안의 용량 손실과 관련하여 전통적인 셀들과 정반대로 동작한다는 것을 발견한 것을 고려할 때, 본 발명의 실시예들은 실리콘 계열 애노드들을 사용하는 리튬 이온 계열 배터리들에서 그러한 셀들의 열 안정성을 손상시키지 않고서 넓은 전압 범위에 걸쳐 사이클 수명을 최적화하도록 동작한다. 본 발명의 실시예들은 최종 사용자에 의해 교체될 수 없는 내장 배터리들을 사용하는 전자 디바이스들에 대해 특히 중요한데, 그 이유는 본 발명의 실시예들을 이용할 때 셀이 30% 내지 40% 더 큰 사이클 수명을 경험할 수 있기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에서, 배터리의 사이클 수명 동안 배터리의 에너지 저장 용량의 변화를 줄이는 방법은 전압 센서를 이용하여 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 배터리의 하나 이상의 셀의 하나 이상의 전압을 모니터링하는 단계를 포함한다. 사전 결정된 방전 사용 시간들의 예는 3일, 5일, 7일일 수 있거나, 대안으로서 3 사이클, 5 사이클, 10 사이클 등과 같은 충전 및 방전 사이클 단위로 측정될 수 있다. 사전 결정된 방전 사용 시간 동안의 하나 이상의 전압의 프로파일이 사전 정의된 사용 기준을 충족시키는 경우, 본 발명의 실시예들은 하나 이상의 셀의 방전 전압 한계를 증가시킨다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방전 전압 한계는 2.7 볼트로부터 3.1 볼트로 증가될 수 있다. 이것은 1회 사용 용량을 약간 줄이지만, 실험 테스트는 용량 감소가 5% 내지 7% 정도임을 보였다. 한편, 방전 전압 한계를 증가시킴으로써, 셀의 전체 용량이 400 사이클 후에 15% 초과만큼 증가할 수 있으며, 이는 사용자에게 배터리의 수명에 걸쳐 증가된 동작 또는 사용 시간을 나타내는 더 큰 전체적인 방전 시간 양을 제공한다. 많은 사용자는 이것이 특히 배터리가 디바이스 내에 내장되고 쉽게 교체되지 못할 때 매우 유리하다는 것을 발견할 것이다. 내장 배터리들은 통상적으로 디바이스 또는 배터리 컴포넌트들의 손상을 방지하기 위해 제조자가 승인한 기술자들에 의해서만 교체될 수 있다.

종래 기술의 설계들에서는, 사전 설정된 충전 및 방전 종료 전압들에 대한 제조자 제약들로 인해, 소비자는 사용에 기초하여 배터리의 용량을 변경 또는 제어하기 위한 어떠한 능력도 갖지 못한다. 충전 종료 및 방전 종료 전압 한계들은 모두 배터리의 회로에 의해 제어된다. 게다가, 소비자가 충전 종료 또는 방전 종료 전압들을 변경할 수 있는 경우에도, 종래 기술의 설계들에서는 소비자는 배터리 수명에 대한 증가된 충전 전압의 악영향과 관련하여 배터리의 충전 전압들 및 용량들의 진정한 유효 안전 레벨에 관한 정보를 갖지 못한다.

본 발명의 실시예들은 이러한 단점들을 극복한다. 일 실시예에 따르면, 방전 종료 전압은 사용자의 방전 프로파일을 수용하도록 조정될 수 있다. 이러한 조정은 일 실시예에서는 자동으로 행해질 수 있다. 다른 실시예에서, 사용자는 배터리 자체의 전체 사이클 수명의 증가와 단일 사이클 동안의 적은 용량 감소를 기꺼이 맞바꾸는 것을 보증하도록 프롬프트될 수 있다. 더욱이, 사용자가 조정 전에 프롬프트되는 하나 이상의 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 제어 디바이스들은 얻어지는 수명 용량과 대비되는 손실되는 추정 일일 용량을 사용자에게 제공할 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에서는, 그러한 셀들의 방전 전압 한계들을 변경함으로써 자신들의 애노드들에서 실리콘을 사용하는 리튬 이온 또는 임의의 다른 하전 이온 계열 배터리들의 사이클 수명을 개선하기 위한 방법들 및 디바이스들이 제공된다. 실리콘 계열 애노드들은 실리콘, 실리콘 및 탄소, 실리콘 및 셀레늄, 또는 실리콘, 셀레늄, 및 탄소 및 사전 리튬화된 실리콘-탄소를 포함하는 애노드들을 포함한다. 애노드들은 또한 실리콘 합금 재료들을 포함할 수 있다. 전극들에 사용되는 적절한 탄소 계열 재료들은 흑연 탄소, 예를 들어 천연 및 합성, 미소-페이즈-마이크로파이버들(miso-phase-microfibers), 마이크로-파이버들, 및 코어 쉘 코팅된 탄소뿐만 아니라, 비-흑연 탄소, 예를 들어 소프트 탄소, 하드 탄소, 및 소프트 및 하드 탄소 양자의 조합도 포함할 수 있다.

사전 정의된 사용 기준은 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 사전 정의된 사용 기준은 적어도 사전 결정된 마진만큼 정격 방전 전압 위로 유지되는 셀들의 전압들을 포함한다. 예를 들어, 정격 충전 전압이 4.35 볼트이고, 정격 방전 전압이 2.7 볼트인 경우, 배터리를 부분적으로만 방전시키는 사용자는 배터리를 그의 정격 방전 전압 한계로 구동하지 못할 것이다. 예를 들어, 사용자가 하루 동안 배터리를 35% 방전시킨 후에 배터리를 밤새 재충전하는 경우, 최소 전압은 단지 4.0 볼트일 수 있다. 그러한 사용자를 수용하기 위해, 사전 정의된 사용 기준은 배터리의 셀들이 적어도 사전 결정된 충전 사이클 수 또는 날 수 동안 0.75 볼트와 같은 사전 결정된 마진만큼 2.7 볼트 위로 유지되는 것을 검출하는 것일 수 있다. 사전 결정된 마진의 다른 예는 정격 방전 전압 위의 약 25%일 것이다. 본 개시 내용의 혜택을 받는 이 분야의 통상의 기술자들에게는 또 다른 예들이 명백할 것이다.

다른 예에서, 사전 정의된 사용 기준은 사전 정의된 기간 동안 방전 백분율을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어 회로는 5일과 같은 사전 결정된 기간 동안 배터리의 셀들의 전압을 모니터링할 수 있다. 그 시간 동안의 방전 사이클들이 셀들을 모니터링에 의해 결정된 그들의 정격 용량 또는 그들의 실제 용량의 75%보다 많이 방전시키지 못하는 경우, 본 발명의 실시예들은 방전 전압 한계를 자동 증가시키거나, 대안으로서 그러한 증가가 허용 가능한지를 요청하도록 사용자에게 프롬프트할 수 있다. 이러한 변경이 행해진 후, 이러한 사전 정의된 기준에 도달할 때, 본 명세서에서 설명되는 방법들 및 장치들은 방전 전압 한계를 400 mV와 같은 사전 결정된 양만큼 증가시킬 수 있다. 사용자는 큰 용량 차이를 인식하지 못하지만, 더 양호한 사이클 수명을 향유할 것이다.

다른 예에서, 사용자는 재충전 전에 정격 방전 전압에 실제로 도달할 수 있다. 사용자가 그의 배터리를 매일 완전히 방전시키는 경우, 사이클 수명 용량 확장이 더 필요할 수 있다. 배터리가 전자 디바이스 내에 내장되고, 사용자에 의해 쉽게 교체되지 못하는 경우, 사용자는 전체 디바이스의 수명을 연장하기 위해 배터리의 용량을 가능한 한 많이 확장하기를 원할 수 있다. 사용자는 여하튼 재충전할 것이므로, 사이클 수명 용량 확장을 달성하기 위해 약간 증가된 방전 전압 한계를 수용하기를 원할 수 있다. 그러한 사용자를 수용하기 위해, 후술하는 하나의 방법은 배터리를 이용하여 동작할 수 있는 전자 디바이스의 사용자 인터페이스로 프롬프트를 전달하여 방전 전압 한계를 증가시키기 위한 사용자 허가를 요청하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 프롬프트는 용량-동작 시간 절충 지시를 포함할 수 있는데, 이는 일일 용량의 5% 내지 7%만이 손실될 경우에 사용자가 더 기꺼이 절충을 행할 수 있기 때문이다. 이어서, 사용자 인터페이스로부터 응답이 수신되면, 제어 회로는 방전 전압 한계를 증가시킬 수 있다. 이러한 증가된 방전 전압 한계에 도달할 때, 제어 회로는 하나 이상의 전압이 방전 전압 한계까지 떨어질 때 로우 배터리 지시(low battery indication)를 제공할 수 있다.

이제, 도 1을 참조하면, 부분 충전 및/또는 부분 방전이 사이클 수명 성능과 관련될 때 그 효과들을 결정하기 위해 실리콘 계열 애노드들을 갖는 리튬 계열 셀들을 테스트하는 테스팅 시스템(100)이 도시되어 있다. 테스트되는 셀들(101)은 탄소 및 실리콘을 포함하는 애노드들을 갖는 리튬 이온 폴리머 셀들이다. 셀들(101)은 1070 mAh의 용량을 갖는다. 이러한 셀들(101)의 애노드들은 약 4% 내지 8% 실리콘 및 약 92% 흑연이다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 훨씬 더 많은 실리콘을 포함하는 애노드들을 갖는 셀들에 대한 적용도 고려하는데, 이는 실리콘이 흑연의 에너지 저장 용량의 대략 10배를 갖기 때문이다. 따라서, 기술이 발전함에 따라, 애노드 내에 존재하는 실리콘의 백분율이 증가할 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 테스팅 시스템(100)은 하나 이상의 스위치(103, 104)와 통신하는 제어기(102)를 포함한다. 제어기(102)는 테스트 알고리즘을 이용하여 프로그래밍되며, 스위치들(103, 104)을 선택적으로 개폐하여 배터리 충전기(105) 또는 부하(106)를 셀들(101)에 선택적으로 결합한다. 충전 회로를 포함하는 배터리 충전기(105)는 전력 공급기(107)에 전기적으로 접속된다.

제1 테스트에서, 셀들(101)은 500회 사이클링되었다. 셀들(101)의 각각의 "사이클링"은 그들을 1.07 A(1C) 전류를 이용하여 4.35 볼트로 충전하는 것을 포함했고, 전류가 20 mA 아래로 떨어질 때 충전 단계가 종료되었다. 이어서, 셀들(101)은 1.07 A의 방전 전류를 이용하여 2.7 볼트로 방전되었다. 셀들(101)은 10분 동안 테스트되었다. 이어서, 프로세스가 반복되었다. 이러한 제1 테스트는 완전한 충전/방전 사이클링 테스트였다.

제2 테스트에서, 셀들(101)은 구분적 선형 방전 포맷을 이용하여 부분적으로 방전되었다. 셀들(101)은 처음에 1.07 A에서 4.35 V로 충전되었고, 전류가 20 mA 아래로 떨어질 때 충전 단계가 종료되었다. 이어서, 셀들은 1.07 A의 방전 전류를 이용하여 4.0 볼트로 방전되었다. 이어서, 셀들(101)은 5분 동안 쉬는 것이 허용되었다. 프로세스가 반복되었지만, 제2 방전 레벨은 3.8 볼트였다. 제3 방전 레벨은 3.6 볼트였다. 4.0 볼트로의 제1 방전, 3.8 볼트로의 제2 방전 및 3.6 볼트로의 제3 방전을 포함하는 이러한 3 단계의 완전 충전 셀 방전 프로세스는 30회 반복되었다. 이어서, 4.35 V로의 충전 및 4.35 V에서 4.0 V, 4.35 V에서 3.8 V, 및 4.35 V에서 3.6 V로의 단계적 방전의 30 사이클이 40회 이상 반복되었다. 이러한 테스트는 상위 전압 범위 사이클링 테스트였다.

제3 테스트에서, 셀들(101)은 구분적 선형 방전 포맷을 이용하여 다시 부분적으로 방전되었다. 그러나, 셀들은 그들의 정격 최대 충전 전압으로 충전되지 않았다. 대신, 셀들(101)은 처음에 1.07 A를 이용하여 4.0 V로 충전되었고, 전류가 20 mA 아래로 떨어질 때 충전 단계가 종료되었다. 이어서, 셀들은 1.07 A의 방전 전류를 이용하여 2.7 볼트로 방전되었다. 이어서, 셀들(101)은 5분 동안 쉬는 것이 허용되었다. 프로세스가 반복되었지만, 제2 충전 레벨은 단지 3.8 볼트였다. 셀들(101)은 다시 2.7 볼트로 방전되었다. 제3 충전 레벨은 단지 3.6 볼트였다. 4.0 볼트로의 제1 충전, 3.8 볼트로의 제2 충전, 및 3.6 볼트로의 제3 충전을 포함하는 이러한 2.7 볼트로의 3 단계 방전 프로세스는 30회 반복되었다. 이러한 테스트는 하위 전압 범위 사이클링 테스트였다.

이러한 테스트들의 결과들은 유익하다. 이제, 도 2를 참조하면, 이 도면에는 3개의 테스트로부터의 결과들이 도시되어 있다. 구체적으로, 그래프(200)는 완전 방전 테스트를 나타내는 곡선(201), 상위 전압 범위 테스트를 나타내는 제2 곡선(202), 및 하위 전압 범위 테스트를 나타내는 제3 곡선(203)을 도시한다. 그래프(200)를 볼 때 유의할 점은 곡선(201) 내에 표현된 각각의 "사이클"이 완전 방전 사이클이므로 곡선들(202, 203)이 곡선(201)보다 편평하다는 점이다(800 mAh에 도달하기 위해 약 3배 더 많은 사이클을 갖는다). 대조적으로, 곡선들(202, 203) 내에 표현된 각각의 "사이클"은 셀들(101)의 용량의 1/3만을 방전하는 부분 방전 사이클이다. 결과적으로, 곡선(202) 또는 곡선(203)에 대한 1200 사이클은 곡선(201)에 대한 단지 400 사이클의 등가이다.

이러한 규약을 염두에 두면, 실험 테스트로부터 세 가지 사항이 명확해진다: 첫째, 실리콘 계열 애노드들을 갖는 리튬 셀들에서 그들의 사이클 수명 동안 명확하게 용량 소실(fade)이 있다. 곡선(201)을 검토하면, 셀들(101)은 거의 1100 mAh의 용량으로 시작했지만, 400 사이클 후에 용량은 단지 800 mAh이었다는 것이 명백하다. 이는 400 사이클 수명 동안 25% 초과의 용량 손실을 나타낸다.

둘째, 셀들(101)이 하위 전압 범위 테스트에 노출되었을 때, 셀들은 거의 동일한 양의 용량 손실을 경험했다. 구체적으로, 400 최대 방전 사이클의 등가인 1200 사이클 후에, 하위 전압 범위 테스트에 노출된 셀들 또한 그들의 용량의 25%를 잃었다.

그러나, 셀들(101)이 상위 전압 범위 테스트에 노출될 때, 셀들은 동일 범위에 걸쳐 용량 보유에 있어서 거의 100 mAh의 향상(204)을 경험했다. 이는 완전히 방전되었거나 그들의 정격 전압 범위의 하단에서 사이클링되었던 셀들(101)보다 50%의 향상을 나타낸다.

이러한 결과들, 즉 실리콘 계열 애노드들을 갖는 리튬 이온 계열 셀들을 그들의 정격 전압 범위의 상부에서 동작시킨 결과들은 순수 흑연 계열 애노드들에 대한 것과 정반대라는 점에서 의외라는 점에 유의해야 한다. 흑연 애노드들을 갖는 셀들을 그들의 하위 전압 범위에서 동작시키는 것이 유리한 것으로 오랫동안 이해되어 왔다. 본 명세서에 참조되어 포함되는, 예를 들어, 2004년 3월 10일자로 출원되고 일반 양도된 Patino 등의 미국 특허 제7,202,635호를 참조한다. 따라서, 도 1 내지 도 3에 따라 수행되는 테스팅은 이전의 결과들과 반대인 새로운 의외의 결과를 제공한다. 본 발명의 실시예들은 실험 테스팅으로부터 획득된 이러한 의외의 결과들을 이용하여, 적절한 때 하위 전압 방전 한계를 증가시켜 셀들(101)을 그들의 상위 전압 범위에서 계속 동작하게 하는 방법 및 장치를 제공한다. 이는 결국 시간 경과에 따른 셀 용량 손실의 최대 50%의 감소를 제공할 수 있다.

이제, 도 3을 참조하면, 약간 다른 차트(300) 내에서 동일 결과들을 볼 수 있다. "3개의 부분 방전이 하나의 완전 방전과 동일한" 구성을 나타내는 사이클들에 대한 그래프가 아니라, 도 1의 테스팅 시스템(100)을 이용하여 수행되는 3개의 테스트 사이의 동일 항목 비교를 제공하기 위해 누적 방전 시간에 대해 용량이 도시된다.

차트(300)는 완전 방전 테스트를 나타내는 제1 곡선(301), 상위 전압 범위 테스트를 나타내는 제2 곡선(302) 및 하위 전압 범위 테스트를 나타내는 제3 곡선(303)을 도시한다. 도 2의 그래프(200)에서와 같이, 실험 테스트로부터 세 가지 사항이 명확해진다: 첫째, 실리콘 계열 애노드들을 갖는 테스트 셀들에서, 여기서 누적 방전 시간으로 표현되는 그들의 동작 가능 수명 동안 명확하게 용량 소실이 있다. 곡선(301)을 검토하면, 셀들(101)은 거의 1100 mAh의 용량으로 시작했지만, 약 1.07 A에서의 400 시간의 누적 방전 후에 용량은 단지 800 mAh이었다는 것이 명백하다. 이는 400 시간의 누적 방전 수명 동안 25% 초과의 용량 손실을 나타낸다.

둘째, 셀들(101)이 하위 전압 범위 테스트에 노출되었을 때, 셀들은 거의 동일한 양의 용량 손실을 경험했다. 구체적으로, 400 시간의 누적 방전 후에, 하위 전압 범위 테스트에 노출된 셀들 또한 그들의 용량의 25%를 잃었다.

그러나, 셀들(101)이 상위 전압 범위 테스트에 노출될 때, 셀들은 동일 범위에 걸쳐 용량 보유에 있어서 거의 100 mAh의 향상(304)을 경험했다. 이는 완전히 방전되었거나 그들의 정격 전압 범위의 하단에서 사이클링되었던 셀들(101)보다 50%의 향상을 나타낸다.

이제, 도 4를 참조하면, 이 도면에는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성되는 방법의 일 실시예를 나타내는 동작 블록도(400)가 도시되어 있다. 단계 401에서, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성되는 시스템(404)의 개략 블록도가 제공된다. 시스템(404)은 전압 감지 노드(406)와 함께 동작 가능한 제어 회로(405)를 포함한다. 전압 감지 노드(406)는 제어 회로(405)가 하나 이상의 재충전 가능 셀(407)에 걸리는 전압을 감지하는 것을 가능하게 하도록 구성된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 재충전 가능 셀(407)은 리튬 계열, 예를 들어 리튬 이온 또는 리튬 이온 폴리머이며, 실리콘을 포함하는 애노드들을 가진다. 전술한 바와 같이, 그러한 애노드는 대략 90% 흑연 및 5% 내지 7% 실리콘일 수 있다. 더 많은 양의 실리콘 및 적절한 농도 실리콘 대 탄소 비율들을 갖는 다른 타입의 탄소 재료들도 사용될 수 있다.

제어 회로(405)는 또한 방전 제어 노드(408)와 함께 동작할 수 있다. 방전 제어 노드(408)는 하나 이상의 재충전 가능 셀(407)과 이동 전화, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 팜탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 게이밍 디바이스, 멀티미디어 플레이어 또는 다른 전자 디바이스일 수 있는 부하(410) 사이에 직렬로 결합되는 방전 전류 제한기(409)를 제어하도록 구성된다. 방전 제어 노드(408)는 바이폴라 접합 트랜지스터 또는 금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터와 같은 트랜지스터일 수 있는 방전 전류 제한기(409)의 제어를 제어 회로(405)에 제공하도록 구성된다. 방전 제어 노드(408)를 이용하여, 제어 회로(405)는 방전 제어 노드(408)에 전압을 인가하여 방전 전류 제한기(409)의 직렬 임피던스를 변경함으로써 방전 전류 제한기(409)를 유효하게 "개방" 또는 "폐쇄"할 수 있다.

일 실시예에서, 제어 회로(405), 하나 이상의 셀(407), 및 부하(410)는 단일 디바이스 내에 통합될 수 있다. 예를 들어, 부하(410)가 하나 이상의 셀(407)을 내장한 태블릿 컴퓨터인 경우, 제어 회로(405)는 태블릿 컴퓨터의 주요 처리 회로와 통합될 수 있거나, 디바이스 내의 주문형 제어 회로일 수 있다.

대안으로서, 제어 회로(405) 및 하나 이상의 셀(407)은 부하(410)에 결합되는 "스마트 배터리"로 통합될 수 있다. 예를 들어, 부하(410)가 랩탑 컴퓨터인 경우, 스마트 배터리는 컴퓨터로부터 선택적으로 분리 가능할 수 있다. 제어 회로(405)를 배터리 자체 내에 배치함으로써, 종래 기술의 전자 디바이스들이 본 발명의 실시예들을 이용하여 개조될 수 있다.

제어 회로(405)는 먼저 전압 감지 노드(406)를 이용하여 하나 이상의 셀(407)의 전압을 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 모니터링한다. 사전 결정된 사용 시간은 수일의 기간, 충전 및/또는 방전 사이클들의 기간, 또는 다른 사용 시간들일 수 있다. 예를 들어, 사전 결정된 사용 시간은 5일일 수 있다. 대안으로서, 사전 결정된 사용 시간은 7개의 충전 사이클일 수 있다. 본 개시 내용의 혜택을 받는 이 분야의 통상의 기술자들에게는 다른 사용 시간들이 명백할 것이다.

단계 402에 도시된 바와 같이, 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 모니터링된 전압들의 프로파일이 사전 정의된 사용 기준을 충족시키는 경우, 제어 회로(405)는 하나 이상의 셀(407)의 방전 전압 한계(412)를 증가(411)시키도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(405)는 방전 전압 한계(412)를 하나 이상의 셀(407)에 대한 정격 방전 전압(414)으로부터 사전 결정된 양(413)만큼 증가(411)시킨다. 따라서, 정격 방전 전압(414)이 2.7 볼트인 경우, 제어 회로(405)는 방전 전압 한계(412)를 2.7 볼트 위로 400 mV와 같은 사전 결정된 양(413)만큼 증가(411)시킬 수 있다.

다른 실시예들에서, 방법은 반복할 수 있다. 따라서, 단계 402를 처음 실행할 때, 방전 전압 한계(412)는 0.25 볼트와 같은 사전 결정된 양(413)만큼 증가할 수 있다. 후속 모니터링 후에, 단계 402가 재실행되어, 방전 전압 한계(412)가 그 이전에 상승된 레벨로부터 0.25 볼트와 같은 다른 사전 결정된 양(413)만큼 증가될 수 있으며, 이는 정격 방전 전압(414) 위로 0.5 볼트 증가를 유발한다.

단계 403에 도시된 바와 같이, 방전 전압 한계(412)에 도달할 때, 제어 회로(405)는 방전 제어 노드(408)를 이용하여 방전 전류 제한기(409)의 임피던스를 증가시킬 수 있다. 이는 하나 이상의 셀(407)의 전압(417)이 방전 전압 한계(412)까지 떨어질 때 그로부터의 방전 전류(416)를 제한(415)한다. 옵션으로서, 제어 회로(405)는 또한 전압(417)이 방전 전압 한계(412)까지 떨어질 때 로우 배터리 지시를 휴대용 전자 디바이스, 즉 부하(410)의 사용자 인터페이스에 제공할 수 있다. 이것은 단계 403에 도시된 바와 같이 그리고 도 2 및 도 3의 의외의 결과들의 논의에서 설명된 바와 같이 적은 양의 일일 용량을 희생하지만, 하나 이상의 셀(407)의 용량을 그의 사이클 수명에 걸쳐 증가시킨다. 즉, 이들은 하나 이상의 셀(407)의 사이클 수명 동안의 에너지 저장 용량의 변화를 감소시킨다. 전술한 바와 같이, 단계 403은 400 시간의 방전 또는 400 사이클 동안 용량을 25% 증가시킬 수 있다.

사용자가 사이클 수명을 연장하기 위해 하나 이상의 셀(407)의 일일 용량을 줄이기를 원하는지를 물을 수 있다. 결국, 방전 전압 한계(412)의 증가(411)는 사용자가 그의 배터리를 더 빨리 충전할 것을 요구한다. 그러나, 실험 테스트는 일일 용량의 저하가 방전 전압 한계(412)의 증가(411)로부터 얻어지는 사이클 수명 용량 이익에 비해 극미하다는 것을 보여주었다.

이제, 도 5를 참조하면, 이 도면에는 실리콘을 포함하는 애노드들을 갖는 리튬 이온 폴리머 셀에 대한 전압 대 용량의 그래프(500)가 도시된다. 곡선(501)은 0.2C 레이트에서의 방전을 나타낸다. 곡선(502)은 0.5C 레이트에서의 방전을 나타낸다. 곡선(503)은 1C 레이트에서의 방전을 나타낸다. 곡선(502)을 일례로 사용하면, 그래프(500)는 약 400 mV의 방전 전압 한계(412)의 증가(411)가 10% 미만의 용량 차이(504)를 유발한다는 것을 보여준다. 여기서, 방전 전압 한계(412)의 400 mV 증가(411)는 단지 약 7%의 일일 용량 감소를 유발한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 일일 용량의 7% 감소만을 포기함으로써 사이클 수명 용량이 25% 증가할 수 있다. 분명히, 많은 사용자는 이러한 절충을 더 기꺼이 행할 것이다. 이는 오늘날 많은 디바이스가 사용자에 의해 교체되지 못하는 내장 배터리들을 포함한다는 것을 고려할 때 특히 그러하다.

이제, 도 6을 참조하면, 이 도면에는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 배터리(602) 내에 배치된 하나 이상의 셀(601)의 에너지 저장 용량의 변화를 줄이도록 구성되는 에너지 관리 시스템(600)의 일 실시예가 도시된다. 도 6의 설명적인 에너지 관리 시스템(600)에서, 충전 유닛(603)이 배터리(602) 및 전력 공급기(604)에 결합된 것으로 도시된다. 전력 공급기(604)는 충전 전류를 충전 유닛(603)에 제공할 수 있으며, 충전 유닛은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 방법에 따라 충전 전류를 배터리(602)에 공급할 수 있다. 충전 유닛(603)은 후술하는 바와 같이 배터리(602)로 흐르는 충전 전류의 양을 제어하도록 구성되는 제어 회로(605)를 포함할 수 있다. 제어 회로(605)는 또한 사용자 방전 프로파일을 모니터링하고, 사용자 방전 프로파일이 사전 정의된 기준을 충족시키는 경우에 하나 이상의 셀(601)의 방전 전압 한계를 증가시킴으로써 배터리(602)의 방전 에너지 용량 한계를 감소시키도록 구성될 수 있다.

도 6의 설명적인 실시예는 배터리(602)와 충전 유닛(603)이 개별 유닛들인 것으로 도시한다. 전술한 바와 같이, 하나 이상의 실시예에서, 충전 유닛(603)과 배터리(602)는 단일 전자 디바이스 내에 통합될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 하나 이상의 셀(601)의 방전 전압 한계를 증가시키기 전에, 충전 유닛(603)은 그러한 조정이 허용 가능한지를 사용자에게 확인하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어 회로(605)는 제어 회로(605)와 함께 동작 가능한 사용자 인터페이스(606)를 이용하여 배터리의 방전 에너지 용량 한계를 감소시키기 위한 허가를 위해 프롬프트하도록 구성될 수 있다. 사용자로부터의 허가를 나타내는 전자 신호가 수신되는 경우, 전술한 바와 같이 방전 전압 한계가 증가될 수 있다.

사전 정의된 기준의 일례는 하나 이상의 셀(601)의 전압들이 25%와 같은 사전 결정된 마진만큼 정격 방전 전압 위로 유지되는 경우를 포함한다. 정격 방전 전압 위로의 이러한 유지는 3일, 5일 또는 7일 또는 대안으로 3개, 5개 또는 7개의 충전 및/또는 방전 사이클과 같은 사전 결정된 사용 시간에 걸쳐 검출, 평균, 또는 적분될 수 있다. 다른 예에서, 사전 정의된 기준은 사전 결정된 방전 사용 시간 내에 하나 이상의 셀을 적어도 한 번 완전 충전하는 것을 포함할 수 있다.

배터리(602)가 충전 전류를 수신하고 전자 디바이스에 전력을 제공하는 데 적합한 임의의 타입의 배터리일 수 있는 경우, 하나 이상의 실시예에서 배터리(602)는 실리콘을 포함하는 애노드들을 갖는 하나 이상의 셀(601)을 포함한다. 충전 유닛(603)은 배터리(602)로 흐르는 충전 전류를 지향시키고 제어할 수 있는 임의의 디바이스일 수 있다. 일례로서, 충전 유닛(603)은 - 예컨대 셀룰러 전화, 태블릿 컴퓨터, 양방향 라디오 또는 개인 휴대 단말기 등과 같은 - 이동 통신 디바이스, 또는 이동 통신 디바이스용 배터리에 전력을 제공할 수 있는 데스크탑 충전기일 수 있다. 물론, 본 발명은 이러한 특정 예들로 한정되지 않는데, 이는 다른 적절한 디바이스들도 충전 유닛(603)으로 사용될 수 있기 때문이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 충전 유닛(603)은 예를 들어 제어 회로(605)와 함께 동작할 수 있는 전류 제어 회로(607)를 포함할 수 있다. 배터리(602)는 예를 들어 메모리(608)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 셀(601)의 정격 방전 전압, 충전을 시작할 때의 하나 이상의 셀(601)의 전압들 및 하나 이상의 셀(601)의 충전 빈도를 포함하는 정보가 메모리(608)에 기록될 수 있다. 제어 회로(605)가 방전 전압 한계를 증가시키는 경우, 이러한 증가된 한계도 메모리(608)에 기록될 수 있다. 일 구성에서, 배터리(602)의 메모리(608)는 전기적으로 소거 및 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리일 수 있지만, 다른 적절한 타입의 메모리 디바이스들도 배터리(602)와 함께 사용될 수 있다.

충전 유닛(603)의 전류 제어 회로(607)는 예를 들어 감지 저항기(609), 전계 효과 트랜지스터(610) 및 다이오드(611)를 포함할 수 있다. 제어 회로(605)는 감지 저항기(609)의 어느 한 쪽에 배치된 접속들을 입력들로서 사용할 수 있다. 제어 회로(605)는 또한 전계 효과 트랜지스터(610)의 동작도 제어할 수 있다. 전류 제어 회로(607)의 출력은 배터리(602)의 하나 이상의 셀(601)에 결합될 수 있는 B+ 콘택트에 이를 수 있다. B+ 콘택트로부터의 입력도 제어 회로(605)에 결합될 수 있다. 하나 이상의 셀(601)의 네거티브 측은 충전 유닛(603) 내의 접지 단자(612)에 결합될 수 있는 B- 콘택트에 결합될 수 있다. 게다가, 제어 회로(605)와 메모리(608) 사이에서 데이터 콘택트를 통해 데이터가 전송될 수 있다. 제어 회로(605)와 메모리(608) 사이에서 교환될 수 있는 데이터의 타입의 예는 정격 충전 한계, 정격 방전 한계, 증가된 방전 한계, 셀 타입, 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 기록된 모니터링 값들, 하나 이상의 셀(601)의 전압 프로파일들을 포함하는 방전 사용의 프로파일들, 하나 이상의 셀(601)에 대응하는 사전 정의된 사용 기준들, 하나 이상의 셀(601)의 방전 전압 한계를 언제 증가시킬지를 결정하기 위한 사전 결정된 마진들, 하나 이상의 셀(601)의 방전 한계를 증가시킬 사전 결정된 양들, 사용 프로파일들로부터 결정된 하나 이상의 셀(601)의 미사용 용량들, 상기의 도 3에 나타낸 것들과 같은 용량에 대응하는 특정 셀 전압들 및 기타 정보를 포함한다.

하나 이상의 실시예에서, 배터리(602)는 서미스터(613)도 포함할 수 있다. 이 분야에 공지된 바와 같이, 제어 회로(605)는 서미스터(613)로부터 서미스터 콘택트를 통해 셀 온도를 모니터링할 수 있다. 충전 유닛(603)은 제어 회로(605)가 서미스터(613)에 의해 생성되는 온도 측정값들을 계측하는 것을 가능하게 하기 위해 전력 공급기에 대한 풀업 저항기(616)를 더 포함할 수 있다. 도시되지 않았지만, 제어 회로(605)는 아날로그/디지털(A/D) 컨버터들 및 입력/출력들(I/O)을 포함할 수 있으며, 이들은 이 분야의 통상의 기술자들이 인식하듯이 제어 회로(605)가 전술한 컴포넌트들로부터 생성되는 정보를 수신하고 처리하는 것을 가능하게 할 수 있다.

동작 중에, 배터리(602)와 전력 공급기(604)가 충전 유닛(603)에 결합될 때, 하나 이상의 셀(601)을 그의 방전 전압 한계로부터 정격 충전 한계까지 충전하기 위해 충전 전류가 전력 공급기(604)로부터 충전 유닛(603)을 통해 배터리(602)로 흐를 수 있다. 제어 회로(605)는 메모리(608)로부터의 전술한 데이터에 액세스함으로써 충전 프로세스를 시작하기 전에 방전 전압 한계를 증가시킬지의 여부를 결정할 수 있다. 제어 회로(605)는 감지 저항기(609)로부터 배터리(602)에 전달되고 있는 충전 전류를 모니터링할 수 있다. 제어 회로(605)는 B+ 콘택트로부터의 입력을 통하여 배터리(602)의 전압을 모니터링할 수 있다. 충전 프로세스 동안, 제어 회로(605)는 또한 서미스터(613)로부터 배터리(602)의 온도를 모니터링할 수 있다. 온도가 사전 결정된 임계값 위로 상승하면, 제어 회로(605)는 그에 따라 충전 전류의 흐름을 조절할 수 있다.

일 실시예에서, 제어 회로(605)는 메모리로부터 프로파일을 판독함으로써 사전 결정된 사용 시간 동안 발생하는 하나 이상의 셀(601)의 전압의 프로파일을 결정할 수 있다. 그 후 제어 회로(605)는 방전 전압 한계가 증가되어야 할지 여부를 결정하기 위해 사전 정의된 기준과 이 프로파일을 비교할 수 있다. 프로파일이 사전 정의된 기준을 충족시키는 경우에, 제어 회로(605)는 증가된 방전 전압 한계 값을 메모리(608)에 기입함으로써 방전 전압 한계를 증가시킬 수 있다. 그 후 제어 회로(605)는 정상적으로 충전을 시작할 수 있다. 이 방식에 따라 배터리(602)를 충전하는 것은 그것의 수명 동안 배터리(602)의 하나 이상의 셀(601)의 용량의 변화를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 즉, 배터리(602)의 용량은, 그의 수명 동안, 배터리(602)의 방전 전압 한계의 증가로 인해 초기 단계 동안 그것의 최대 용량 미만으로 제한될 수 있기 때문에, 더 일정한 것처럼 보일 수 있다.

하나 이상의 실시예에서, 배터리(602)는 선택적으로 그 자체의 독립적인 에너지 관리 회로(614)를 포함할 수 있다. 그러한 에너지 관리 회로가 포함되는 경우에, 충전 유닛(603)의 제어 회로(605)의 기능들 중 많은 것들이 완전히 배터리(602) 내에 내장될 수 있다. 에너지 관리 회로(614)의 포함은 본 발명의 방법들이 충전기 예컨대 충전 유닛(603)에 의존하는 것과는 대조적으로, 배터리(602) 내에서 완전히 실행되게 해준다.

이제 도 7을 참조하면, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 배터리 내에 포함하기에 적합한 에너지 관리 회로(614)의 일 실시예가 도시되어 있다. 에너지 관리 회로(614)는 배터리가 전자 디바이스로부터 분리 가능한지 또는 그 안에 내장되는지 여부에 상관없이 배터리와 함께 사용될 수 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 에너지 관리 회로(614)는, 본 명세서에 기술된 바와 같이 에너지 관리 회로(614) 내에 존재하는 제어 회로(702)에 의해 구현될 수 있는 논리 명령어들(701)과 함께 개략적인 블록도 형태로 도시된다. 논리 명령어들(701)은 제어 회로(702)가 실행하는 내장 코드를 통해 구현될 수 있다. 대안적으로, 논리 명령어들(701)은 프로그래머블 디지털 로직, 아날로그 로직, 디지털 로직, 및 기타 등등으로서 하드웨어로 구현될 수 있을 것이다.

제어 회로(702) 및 논리 명령어들(701)을 논의하기에 앞서, 도 7의 예시적 실시예에 나타낸 다른 특징들의 일부가 설명될 것이다. 도 7의 예시적 실시예는 함께 사용되는 재충전 가능한 셀들의 에너지 용량을 관리하는 것과, 또한 "안전 회로"로서 역할을 하는 것 둘 다를 위해 구성된 에너지 관리 회로(614)를 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "안전 회로"는 적어도 하나의 재충전 가능한 셀에 걸리는 전압을 모니터링할 수 있는 임의의 회로이다. 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 예컨대 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등과 같은 어떤 재충전 가능한 배터리들은 그들이 과충전되지 않도록 보장하기 위해 일반적으로 보호 컴포넌트들과 결합된다. 그러한 배터리들의 과충전은 신뢰성을 손상시킬 수 있다. 도 7의 예시적 실시예는 안전 특징들과 에너지 관리 기능들을 둘 다 포함하지만, 본 개시의 혜택을 받는 통상의 기술자에게는 본 발명이 그렇게 제한되지 않는다는 것이 자명할 것이다. 에너지 관리 회로(614)는 안전 기능들 없이 독립형 디바이스로서 구현될 수 있다. 또한, 도 7에는 집적 회로로서 도시되지만, 본 발명의 실시예들은 별개의 회로들, 주문형 회로들로서, 그리고 집적 회로들의 조합들로서 구현될 수 있다.

도 7의 예시적 에너지 관리 회로(614)는 과충전 검출기(703)를 포함한다. 과충전 검출기(703)는 그것이 Vdd 노드(712)와 Vss 노드(711)를 통해 결합된 재충전 가능한 셀에 걸리는 전압을 모니터링하도록 구성된다. Vdd 노드(712)와 Vss 노드(711)는 에너지 관리 회로(614)에 결합된 셀의 캐소드 및 애노드에서의 전압을 모니터링한다. 논의의 목적상, 본 발명의 실시예들은 에너지 관리 회로(614)가 예컨대 실리콘 계열 애노드를 갖는 단일의 리튬 폴리머 셀 등과 같은 단일의 재충전 가능한 셀에 결합되어 있는 것으로 설명될 것이다. 그러나, 본 개시의 혜택을 받는 통상의 기술자에게는 본 발명이 그렇게 한정되지 않는다는 것이 자명할 것이다. 에너지 관리 회로(614)는 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있는 복수의 셀들과 함께 사용될 수 있을 것이다.

과충전 검출기(703)는 이 감지된 전압을 사전 결정된 최대 셀 전압 임계값과 비교한다. 셀 전압이 이 임계값을 초과할 때, 제어 회로(702)와 함께 동작할 수 있는 과충전 검출기(703)가 푸시-풀 출력 스테이지(704)로 하여금 제어 신호를 충전 제어 노드(705)에 인가하도록 한다. 충전 제어 노드(705)가 금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터 또는 바이폴라 접합 트랜지스터 등과 같은 스위치에 결합될 때, 스위치는 셀의 임의의 더 이상의 충전을 방지하도록 개방된다.

유사하게, 에너지 관리 회로(614)는 셀에 걸리는 전압이, 일 실시예에서 증가된 방전 전압 한계인 사전 결정된 저전압 임계값 아래로 떨어지지 않도록 보장하는 과방전 검출기(706)를 포함할 수 있다. 이 경우, 과방전 검출기(706)는 출력 스테이지(707)로 하여금 제어 신호를 방전 제어 노드(708)에 인가하도록 한다. 방전 제어 노드(708)가 셀과 직렬로 연결된 방전 차단 스위치에 결합될 때, 방전 제어 노드(708)에서의 제어 신호의 인가는 방전 차단 스위치를 개방할 수 있거나 또는 달리 방전 전류 제한기의 직렬 임피던스를 증가시킬 수 있으며, 이로써 셀의 임의의 더 이상의 방전을 감소시키거나 방지할 수 있다.

도 7의 예시적 실시예에서, 셀 또는 셀들을 통한 전류 흐름은 전류 감지 노드(709)에 의해 모니터링된다. 전류 감지 노드(709)는 전류 감지 회로(710)에 결합된다. 일 실시예에서, 전류 감지 회로(710)는 지연 회로(714)와 함께 동작할 수 있다. 지연 회로(714)는, 사용되는 경우, 전류 감지 노드(709)에 히스테리시스 및 과도 면역을 제공할 수 있다.

일 모드에서, 전류 감지 회로(710)와 함께 동작하는 전류 감지 노드(709)가 Vss 노드(711)와 전류 감지 노드(709) 사이의 전압을 감지한다. 이 감지된 전압이 사전 결정된 임계값을 초과할 때, 제어 회로(702)는 제어 신호가 방전 제어 노드(708)에 인가되도록 한다. 이 제어 신호는 방전 차단 스위치를 개방하거나 또는 달리 방전 전류 제한기의 직렬 임피던스를 증가시킴으로써, 방전 방향의 전류 흐름을 중지시킨다.

에너지 관리 회로(614)의 다른 옵션의 컴포넌트들은 온도-감지 노드(713)를 포함한다. 온도-감지 노드(713)는 재충전 가능한 셀의 온도를 모니터링하기 위한 서미스터 또는 다른 온도-감지 디바이스에 결합될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 응용이 셀의 충전이 단지 섭씨 온도 0도 내지 45도에서만 발생할 것을 요구하는 경우일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 제어 회로(702)는 에너지 관리 회로(614)에 결합된 셀의 캐소드 및 애노드에서의 전압을 각각 모니터링하기 위해 Vdd 노드(712) 및 Vss 노드(711)와 함께 동작할 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 제어 회로(702)는 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 부착된 셀의 전압을 모니터링한다. 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 전압의 프로파일이 사전 정의된 사용 기준을 충족시키는 경우에, 제어 회로(702)는 과방전 검출기(706)가 동작하는 방전 전압 한계를 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 제어 회로(702)는 사전 결정된 사용 시간 동안 적어도 사전 결정된 마진만큼 셀의 정격 방전 전압 위로 셀 전압이 유지되는지를 결정하기 위해 셀 전압을 모니터링할 수 있다. 사전 결정된 마진의 일례는 약 25%이다. 이러한 경우에, 제어 회로(702)는 방전 전압 한계를 사전 결정된 양만큼 증가시킬 수 있고, 그러한 양의 일례는 약 400 mA이다. 예를 들어 설명하자면, 이것은 방전 전압 한계를 약 2.7 볼트로부터 3.1 볼트 이상으로 증가시킬 수 있다.

일단 배터리가 충전되면, 제어 회로(702)는 Vdd 노드(712)와 Vss 노드(711)에 의해 셀 전압을 다시 모니터링할 수 있다. 증가된 방전 전압 한계까지 전압이 떨어질 때, 일 실시예에서 제어 회로(702)는 휴대용 전자 디바이스의 사용자 인터페이스가 로우 배터리 지시를 사용자에게 제시할 수 있도록 로우 배터리 신호를 부착된 전자 디바이스에 옵션의 데이터 포트(715)를 통해 전달할 수 있다. 또한, 증가된 방전 전압 한계까지 셀의 전압이 떨어질 때, 제어 회로(702)는 제어 신호를 방전 제어 노드(708)에 인가하기 위해 제어 신호를 출력 스테이지(707)에 전달할 수 있으며, 이로써 방전 제어 노드(708)에 결합된 방전 제어 디바이스의 직렬 임피던스로 하여금 그의 임피던스를 증가시키게 하여, 부착된 부하로의 셀의 방전을 줄일 수 있다.

하나 이상의 실시예에서, 제어 회로(702)에는 용량과 셀 전압의 상관관계가 저장되어 있을 수 있으며, 그것의 일례가 도 3과 관련하여 상기에서 나타내어진다. 이 정보가 제어 회로(702) 또는 대응하는 메모리 디바이스에 저장될 때, 제어 회로(702)는 상관관계로부터 대응하는 용량을 참조함으로써 검출된 프로파일로부터 미사용 용량을 결정하도록 구성될 수 있다. 사전 결정된 "최하위(bottom)" 특성 셀 전압이 또한 상관관계로부터 추정될 수 있다. 그러므로, 방전 전압 한계를 증가시킬 때, 제어 회로(702)는 그 증가가 사용자에 의해 남겨진 미사용 용량에 상응하게 할 수 있다. 이 미사용 용량은 또한 여러 사이클 또는 여러 날 적분의 결과일 수 있다. 방전 전압 한계를 "과도하게 증가시키는 것"을 회피하기 위해, 하나 이상의 실시예의 제어 회로(702)는 방전 전압 한계를 정격 방전 전압 초과의 그리고 특성 셀 전압 미만의 레벨로 증가시킬 수 있다.

이제 도 8을 참조하면, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 에너지 관리 회로(614)를 사용하는 재충전 가능한 배터리(800)의 일 실시예가 도시되어 있다. 에너지 관리 회로(614)는 하나 이상의 재충전 가능한 셀에 결합된다. 도 8의 예시적 실시예에서, 하나 이상의 재충전 가능한 셀은 셀(801)로서 나타내어진다. Vdd 노드(712)는 전류 제한 저항기를 통해 셀(801)의 캐소드에 결합되는데 반해, Vss 노드(711)는 셀(801)의 애노드에 결합된다. 이 설명적 실시예에서, 애노드는 대략 90% 흑연과 대략 8% 실리콘이다.

도 8의 예시적 실시예에서, 방전 제어 노드(708)는 배터리(800)를 위한 방전 제어 디바이스 또는 방전 전류 제한기로서 작용하는 방전 차단 스위치(802)에 결합된다. 충전 제어 노드(705)는 충전 차단 스위치(803)에 결합된다. 방전 차단 스위치(802)와 충전 차단 스위치(803)는 차례로 셀(801)과 직렬로 연결되고, 방전 전류와 충전 전류가 각각 셀(801)로부터/로 흐르는 것을 방지하기 위해 사용된다. 도 8의 예시적 실시예에서, 방전 차단 스위치(802)와 충전 차단 스위치(803)는 금속 산화물 실리콘 전계 효과 반도체(MOSFET)들이지만, 응용에 따라, 스위치들, 릴레이들, 회로 차단기들, 및 제어 가능한 퓨즈들을 포함한, 기타 디바이스들로 대체될 수 있다. MOSFET들은 완전히 온 또는 포화 모드에서 동작할 때 그들의 낮은 직렬 임피던스 때문에, 배터리 응용들에 빈번히 사용된다.

MOSFET들이 차단 스위치들로서 채택될 경우, 그들은 일반적으로 단지 한 방향으로의 전류 흐름을 방지할 수 있다. 이것이 두 개의 트랜지스터가 사용되는 이유이다 - 하나는 충전 전류를 차단하기 위한 것이고, 하나는 방전 전류를 차단하기 위한 것이다. 두 개의 트랜지스터가 요구되는 이유는 각각의 MOSFET이 그것의 물리적 구조로 인해 고유한 대응하는 기생 바디 다이오드를 가지고 있기 때문이다. 따라서, 각각의 MOSFET은 전류가 단일 방향으로 흐르는 것을 방지할 수 있을 뿐이다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면 이러한 바디 다이오드들은, 방전 전류가 방지될 수 있지만, 충전 전류가 허용될 수 있다는 점에서 유용하다. 방전 차단 스위치(802)와 충전 차단 스위치(803)의 바디 다이오드들은 전류가 다른 방향으로 흐르도록 허용한다. 그러므로, 모든 전류 흐름을 중지시키기 위해, 양쪽 모두의 MOSFET이 턴 오프되어야 한다. 따라서 방전 제어 노드(708) 외에 충전 제어 노드(705)도 사용된다. 방전 차단 스위치(802)가 개방될 때, 충전 전류는 여전히 방전 차단 스위치(802)의 기생 다이오드를 통해 흐를 수 있지만, 방전 전류는 흐르지 않는다.

전류 감지 노드(709)는 회로의 낮은 측(804)에 결합되며, 따라서 전류 감지 노드(709)는 Vss 노드(711)와 함께 동작하여 방전 차단 스위치(802), 충전 차단 스위치(803), 옵션의 전류 감지 저항기(805), 또는 그들의 조합들에 걸리는 전압을 감지할 수 있다. 이 전압이 너무 높아질 때, 제어 회로(702)의 옵션의 과전류 방지 회로는 셀(801)로부터 인출하는 전류가 그에 대응하게 너무 높아지는 것을 검출한다. 이것이 발생할 때, 제어 회로(702)는 제어 신호를 방전 제어 노드(708)에 인가함으로써, 방전 차단 스위치(802)를 개방시킨다. 그 후 제어 회로(702)는 전류가 여전히 너무 높은지 여부를 결정하기 위해 정기적으로 방전 차단 스위치(802)를 순간적으로 폐쇄한다. 전류가 너무 높지 않다고 감지할 때, 제어 회로(702)는 방전 차단 스위치(802)를 폐쇄된 채로 남겨둔다.

셀(801)의 전압이 방전 전압 한계까지 떨어질 때, 제어 회로(702)는 단자들(806, 807)에 결합된 부하와 셀(801) 사이에 직렬로 연결되는 방전 차단 스위치(802)의 임피던스가 증가하도록 하기 위해 방전 제어 노드(708)에 신호를 인가한다. 이것은 방전 전압 한계에 도달함으로 인해 셀 방전을 차단한다.

이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 그의 사이클 수명 동안 배터리의 에너지 저장 용량의 변화를 감소시키기 위한 방법(900)이 도시되어 있다. 단계 901에서 전압 센서는 사전 결정된 사용 시간 동안 배터리의 하나 이상의 셀의 하나 이상의 전압을 모니터링한다. 예를 들어, 이 단계 901은, 사용자가 2.7 볼트까지 셀을 완전히 방전하는지, 또는 새로운 셀의 정격 용량에 기초하여 80% 용량 방전을 나타내는 예컨대 3.6 볼트까지 단지 부분적으로 셀을 방전하는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 901은 사전 결정된 방전 시간에 걸쳐 반복될 수 있는데, 이 시간은 몇 개의 충전 사이클들 또는 며칠에 걸쳐 이어질 수 있다. 단계 902에서, 모니터링된 데이터는 배터리 팩 또는 전자 디바이스의 메모리에 전압 프로파일로서 저장될 수 있다.

단계 903에서, 저장된 프로파일들이 평가될 수 있다. 일 실시예에서, 단계 903은 시간의 경과에 따라 단계 902에서 모니터링된 전압들에 기초한 프로파일의 생성을 포함한다. 옵션의 단계 904는 단계 903에서 행해진 분석과 평가에 관하여 사용자에게 통지하게 해준다.

판정 905는 사전 정의된 사용 기준과 프로파일을 비교하는 것을 포함한다. 사용 기준의 여러 예들이 상기에서 주어졌다. 그러나 본 개시의 혜택을 받는 통상의 기술자에게는 판정 905에서 프로파일과 비교되는 기준이 응용에 기초하여 변화할 수 있다는 것이 자명할 것이다.

사전 정의된 기준이 충족될 경우, 일 실시예에서, 옵션의 단계 906은 판정 905에 기초하여 셀들의 방전 전압 한계를 증가시키기 위한 사용자 허가를 요청하는 프롬프트를 전자 디바이스에 전달하는 것을 포함한다. 단계 906은 또한 방전 전압 한계가 증가될 때 초래될 평가된 용량 손상의 지시를 포함하는 프롬프트의 제공을 포함할 수 있다. 도 10을 잠시 참조하면, 설명적 프롬프트(1001)가 전자 디바이스(1003)의 디스플레이(1002)에 제시되고 있다.

도 9를 다시 참조하면, 옵션의 단계 906이 포함되는 경우, 이 단계 906은 또한 프롬프트(1001)에 응답하여 전자 디바이스(1003)로부터 사용자 응답을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 응답이 허가를 포함하는 경우, 단계 907은 셀들의 방전 전압 한계를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 옵션의 단계 906이 포함되지 않는 경우, 단계 907이 자동으로 발생할 수 있다. 사전 정의된 기준이 판정 905에서 충족되지 않는다면, 또는 사용자가 증가를 불허한다면, 방전 전압은 단계 908에서 조절되지 않고 유지될 것이다.

도 11 내지 도 12는 본 발명의 실시예들을 사용할 때 셀 용량 변동의 감소들을 입증하는 추가의 테스트 결과들을 나타낸다. 먼저 도 11을 참조하면, 누적 방전 용량에 대해 방전 용량이 표시된다. 특히, 차트(1100)에서, 커브들(1101, 1102, 1103)은 수평축을 따른 누적 방전 에너지에 대해 수직축을 따른 방전 용량을 표시한다.

차트(1100)는 완전 방전 테스트를 나타내는 제1 커브(1101), 상위-전압 범위 테스트를 나타내는 제2 커브(1102), 및 하위-전압 범위 테스트를 나타내는 제3 커브(1103)를 나타낸다. 도 2의 그래프(200)에서와 같이, 실험적 테스트로부터 세 가지 사항이 명백해진다: 첫째, 실리콘 계열 애노드들을 갖는 테스트 셀들에서, 여기서는 누적 방전 용량으로서 나타내어지는, 그들의 동작 수명 동안 명확하게 용량 소실이 있다. 커브(1101)를 검토하면, 셀들(101)은 거의 1100 mAh의 용량으로 시작했지만, 대략 1.07 A에서 400 Amp(암페어)-hours(시)의 방전 후에 용량은 단지 800 mAh이었다는 것이 명백하다. 이는 400 Amp-hours의 누적 방전에 걸쳐 25% 초과의 용량 손실을 나타낸다.

둘째, 셀들(101)이 하위-전압 범위 테스트에 노출되었을 때, 그들은 거의 동일한 양의 용량 손실을 경험했다. 구체적으로, 400 Amp-hours의 누적 방전 후에, 하위-전압 범위 테스트에 노출되었던 셀들도 그들의 용량의 25%를 잃었다. 그러나, 셀들(101)이 상위-전압 범위 테스트에 노출되었을 때, 셀들은 동일 범위에 걸쳐 용량 보유에 있어서 거의 100 mAh의 향상(1104)을 경험했다. 이는 완전히 방전되었거나, 또는 그들의 정격 전압 범위의 하단에서 사이클링되었던 셀들(101)보다 50%의 향상을 나타낸다.

이제 도 12를 참조하면, 누적 충전 용량에 대한 충전 용량이 표시된다. 차트(1200)는 완전 방전 테스트를 나타내는 제1 커브(1201), 상위-전압 범위 테스트를 나타내는 제2 커브(1202), 및 하위-전압 범위 테스트를 나타내는 제3 커브(1203)를 나타낸다. 이전 도면들에서와 같이, 실험적 테스트로부터 세 가지 사항이 명백해진다: 첫째, 실리콘 계열 애노드들을 갖는 테스트 셀들에서, 여기서는 누적 충전 용량으로서 나타내어지는, 그들의 동작 수명 동안 명확하게 용량 소실이 있다. 커브(1201)를 검토하면, 셀들(101)은 거의 1100 mAh의 용량으로 시작했지만, 대략 1.07 A에서 400 Amp-hours의 방전 후에 용량은 단지 800 mAh이었다는 것이 명백하다. 이는 400 Amp-hours의 누적 충전에 걸쳐 25% 초과의 용량 손실을 나타낸다.

둘째, 셀들(101)이 하위-전압 범위 테스트에 노출되었을 때, 그들은 거의 동일한 양의 용량 손실을 경험했다. 구체적으로, 400 Amp-hours의 누적 충전 후에, 하위-전압 범위 테스트에 노출되었던 셀들도 그들의 용량의 25%를 잃었다. 그러나, 셀들(101)이 상위-전압 범위 테스트에 노출되었을 때, 셀들은 동일 범위에 걸쳐 용량 보유에 있어서 거의 100 mAh의 향상(1204)을 경험했다. 이는 완전히 방전되었거나, 또는 그들의 정격 전압 범위의 하단에서 사이클링되었던 셀들(101)보다 50%의 향상을 나타낸다.

전술한 명세서에서, 본 발명의 구체적인 실시예들이 기술되었다. 그러나, 통상의 기술자라면 하기의 특허청구범위에 기재되는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 수정과 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시되고 기술되었지만, 본 발명은 그렇게 한정되지 않는다는 것이 분명하다. 하기의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않는 다수의 수정물, 변경물, 변형물, 대체물, 및 균등물을 통상의 기술자들은 생각해낼 것이다. 따라서 명세서와 도면은 제한적인 의미라기보다는 예시적인 의미로 간주되어야 하며, 그러한 모든 수정물은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 이점들, 장점들, 문제들에 대한 해결책들, 및 임의의 이점, 장점, 또는 해결책이 발생하거나 더 현저하게 되도록 유발할 수 있는 임의의 구성요소(들)는 임의의 또는 모든 청구항들의 중요한, 필요한, 필수적인 특징들 또는 구성요소들로서 해석되어서는 안 된다.

Claims

배터리의 사이클 수명에 걸쳐 상기 배터리의 에너지 저장 또는 사용 용량의 변동을 감소시키는 방법으로서,
사전 결정된 방전 사용 시간 동안 상기 배터리의 하나 이상의 셀의 하나 이상의 전압을 전압 센서에 의해 모니터링하는 단계; 및
상기 사전 결정된 방전 사용 시간 동안 상기 하나 이상의 전압의 프로파일이 사전 정의된 사용 기준을 충족시키는 경우에, 상기 하나 이상의 셀의 방전 전압 한계를 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 사전 정의된 사용 기준은 상기 하나 이상의 전압이 사전 결정된 마진만큼 상기 하나 이상의 셀에 대한 정격 방전 전압 위로 유지되는 것을 포함하는, 방법.
제2항에 있어서,
상기 사전 결정된 마진은 약 25%인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 전압이 상기 방전 전압 한계까지 떨어질 때, 상기 배터리로 동작 가능한 휴대용 전자 디바이스의 사용자 인터페이스에, 로우 배터리 지시를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 전압이 상기 방전 전압 한계까지 떨어질 때, 상기 하나 이상의 셀로부터의 방전 전류를 제한하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 제한하는 단계는 상기 배터리와 부하 사이에 직렬로 연결된 방전 제어 디바이스의 직렬 임피던스를 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 증가시키는 단계는 상기 방전 전압 한계를 적어도 400 mV만큼 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 증가시키는 단계는 상기 방전 전압 한계를 약 2.7 볼트로부터 적어도 3.1 볼트로 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 사전 결정된 방전 사용 시간은 5개 이상의 충전 사이클을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 프로파일로부터 상기 하나 이상의 셀의 미사용 용량을 결정하는 단계; 및
상기 미사용 용량에 대응하는 특성 셀 전압을 결정하는 단계를 더 포함하고,
상기 증가시키는 단계는 상기 방전 전압 한계를 상기 특성 셀 전압의 함수로서 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 증가시키는 단계는 상기 방전 전압 한계를 정격 방전 전압을 초과하고 상기 특성 셀 전압 미만의 레벨로 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
하나 이상의 재충전 가능한 셀에 결합되는 에너지 관리 회로로서,
상기 에너지 관리 회로는 제어 회로를 포함하고,
상기 제어 회로는:
상기 하나 이상의 재충전 가능한 셀에 걸리는 전압을 감지하도록 구성된 전압 감지 노드; 및
상기 하나 이상의 셀과 직렬로 연결된 방전 전류 제한기를 제어하도록 구성된 방전 제어 노드;
와 함께 동작 가능하고,
상기 제어 회로는, 사전 결정된 사용 시간 동안 상기 전압의 프로파일이 사전 정의된 기준을 충족시키는 것을 검출하면, 상기 하나 이상의 재충전 가능한 셀에 대한 방전 전압 한계를 증가시키도록 구성되는, 에너지 관리 회로.
제12항에 있어서,
상기 제어 회로는 또한, 상기 전압 감지 노드에서의 상기 전압이 상기 방전 전압 한계까지 떨어지면, 상기 방전 전류 제한기의 직렬 임피던스를 증가시키도록 구성된 제어 신호를 인가하도록 구성되는, 에너지 관리 회로.
제12항에 있어서,
상기 하나 이상의 셀의 애노드는 실리콘 및 실리콘 합금 탄소를 포함하는, 에너지 관리 회로.
제12항에 있어서,
상기 하나 이상의 셀과 상기 제어 회로 양자는 모두 배터리 팩 내에 배치되는, 에너지 관리 회로.
제12항에 있어서,
상기 제어 회로는,
상기 방전 전압 한계를 증가시키기 위한 사용자 허가를 요청하는 프롬프트를 상기 제어 회로에 결합된 전자 디바이스에 전달하고,
상기 프롬프트에 응답하여 상기 전자 디바이스로부터 사용자 응답을 수신하고,
상기 사용자 응답이 상기 방전 전압 한계를 증가시키라는 허가를 포함하는 경우에만 상기 방전 전압 한계를 증가시키도록 구성되는, 에너지 관리 회로.
제16항에 있어서,
상기 프롬프트는 상기 방전 전압 한계가 증가될 때 초래될 평가된 용량 손상의 지시를 포함하는, 에너지 관리 회로.
사이클 수명에 걸쳐 배터리의 에너지 저장 용량의 변동을 감소시키는 방법으로서,
배터리의 하나 이상의 셀에 결합된 제어 회로에 의해, 사용자 방전 프로파일을 모니터링하는 단계; 및
상기 사용자 방전 프로파일이 사전 정의된 기준을 충족시키는 경우에, 상기 제어 회로와 함께 동작 가능한 사용자 인터페이스에 의해, 상기 배터리의 방전 에너지 용량 한계를 감소시키기 위한 허가를 위해 프롬프트하는 단계를 포함하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 허가를 나타내는 전자 신호를 수신하는 단계; 및
상기 하나 이상의 셀의 방전 전압 한계를 증가시킴으로써 상기 배터리의 방전 에너지 용량 한계를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 사전 정의된 기준은 사전 결정된 방전 사용 시간 내에 적어도 한 번 상기 하나 이상의 셀을 완전히 방전시키는 것을 포함하는, 방법.