KR20180089698A - 배터리 충방전 제어 장치 및 그 충방전 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충전 가능한 배터리에 대한 충방전 제어 장치 및 그 충방전 제어 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 장치는 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리의 사이클 카운트 및 방전 용량을 계산하는 배터리 게이지, 배터리에 충전 전력을 공급하는 충전부 및 상기 사이클 카운트가 기 설정된 횟수에 도달시, 상기 배터리의 방전 형태에 따라 상기 충전부의 동작을 제어하여 상기 배터리에 공급되는 충전 전류를 조절하거나 상기 배터리의 방전 전류를 조절하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

배터리 충방전 제어 장치 및 그 충방전 제어 방법{BATTERY CHARGE-DISCHARGE CONTROL APPARATUS AND CONTROL METHOD OF THE SAME}

본 발명은 충전 가능한 배터리에 대한 충방전 제어 장치 및 그 충방전 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용자의 배터리 사용 패턴에 따라 배터리에 대한 충방전을 가변적으로 제어함으로써 배터리의 수명을 연장시킬 수 있는 배터리 충방전 제어 장치 및 그 충방전 방법에 관한 것이다.

휴대용 전화기, 태블릿, 노트북, MP3, 디지털 카메라, PMP 등 전자 장치는 통신 기능, 멀티미디어 기능, 게임 기능 및 다양한 어플리케이션 기능을 사용자에게 제공할 수 있다. 전자 장치는 위와 같은 다양한 기능들을 제공하기 위하여 이차전지와 같은 배터리를 통하여 전원을 공급 받을 수 있다. 배터리는 충전하여 재사용 가능한 이차 전지를 사용할 수 있다.

전자 장치는 사용자의 배터리 사용 내역과는 상관없이 일률적으로 배터리를 완전 충전할 수 있다. 배터리의 충전 전압을 높게 설정할수록 배터리의 충전 용량이 증가하여 전자 장치의 사용 시간이 늘어날 수 있고, 배터리의 충전 전류를 높게 설정할수록 배터리가 완전 충전되는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있다.

하지만 배터리의 충전 전압 또는 충전 전류를 높게 설정할수록 배터리의 열화 현상으로 인하여 배터리의 사용 수명이 줄어들 수 있고, 배터리의 폭발 등 발화 가능성이 높아지는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 배터리는 방전 및 충전이 반복적으로 수행되는 과정에서 배터리의 잔존용량 및 전류의 크기 등과 같은 다양한 변수로 인하여 배터리의 수명이 감소될 수 있다.

본 발명은 사용자의 배터리 사용 패턴에 기초하여 배터리의 열화 원인을 분석하고 이를 통해 배터리의 충방전을 효율적으로 제어함으로써 배터리의 수명을 연장시키고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 장치는 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리의 사이클 카운트 및 방전 용량을 계산하는 배터리 게이지, 배터리에 충전 전력을 공급하는 충전부 및 상기 사이클 카운트가 기 설정된 횟수에 도달시, 상기 배터리의 방전 형태에 따라 상기 충전부의 동작을 제어하여 상기 배터리에 공급되는 충전 전류를 조절하거나 상기 배터리의 방전 전류를 조절하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 방법은 배터리의 사이클 카운트 및 방전 용량을 계산하는 단계, 상기 사이클 카운트가 기 설정된 횟수에 도달시, 상기 배터리의 방전 형태를 판단하는 단계 및 배터리의 방전 형태에 따라 배터리에 공급되는 충전 전류 또는 배터리의 방전 전류를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 사용자의 배터리 사용 패턴에 따라 배터리에 대한 충방전을 가변적으로 제어함으로써 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 배터리의 방전 전류 변화에 따른 방전 용량의 변화 모습에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 경우들에 대해 방전 전류 또는 충전 전류를 조절했을 때의 방전 용량의 변화 모습에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 장치의 구성을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 순서도.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 배터리의 방전 전류 변화에 따른 방전 용량의 변화 모습에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이며, 도 2는 도 1의 경우들에 대해 방전 전류 또는 충전 전류를 조절했을 때의 방전 용량의 변화 모습에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.

도 1의 (a) 및 (b)는 모두 매 50 사이클마다 강제적으로 저전류 방전을 수행했을 때의 배터리의 방전 용량(capacity retention)의 변화를 보여주는 도면들이다.

도 1에서와 같이, 서로 다른 배터리들에 동일한 방전 조건을 가했으나, (a)의 배터리는 저전류 방전 후 방전 용량에 큰 변화를 보인 반면에 (b)의 배터리는 그러한 변화를 보이지 않았다. 즉, 동일한 공정들을 통해 제조된 배터리들이지만 사이클의 반복에 따른 방전 조건이 달라짐에 따라 방전 용량의 변화가 크게 달라질 수 있음을 알 수 있다.

이에 대해, 도 1의 (a) 및 (b)와 같은 특성을 갖도록 모의적으로 셋팅된 배터리들에 대해 방전 전류와 충전 전류를 조절하는 실험을 수행하였다.

그 결과, 도 2의 (a)에서와 같이, 방전 전류에 따른 방전 용량의 변화가 큰 경우에는 방전 전류를 감소시켜줌으로써, 사이클 반복에 따른 용량 감소의 기울기가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 즉, 방전 전류에 따른 방전 용량의 변화가 큰 경우에는 방전 전류를 감소시켜줌으로써 배터리의 수명을 연장시켜줄 수 있음을 알 수 있었다.

또한, 도 2의 (b)에서와 같이, 방전 전류에 따른 방전 용량의 변화가 작은 경우에는 충전 전류를 감소시켜줌으로써, 사이클 반복에 따른 용량 감소의 기울기가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 즉, 방전 전류에 따른 방전 용량의 변화가 작은 경우에는 충전 전류를 감소시켜줌으로써 배터리의 수명을 연장시켜줄 수 있음을 알 수 있었다.

즉, 배터리의 수명을 연장시키기 위해서는 배터리의 방전 형태(사용자의 배터리 사용 패턴)를 파악한 후 그에 따른 적절한 조치(방전 전류 조절 또는 충전 전류 조절)를 취해주어야 함을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.

도 3의 배터리 충방전 제어 장치는 배터리 게이지(10), 메모리(20), 컨트롤러(30) 및 충전부(40)를 포함한다.

배터리 게이지(10)는 배터리(1)와 함께 특정 전자 장치에 내장되어 배터리(1)의 전압, 충전시의 전류, 방전시의 전류(평균 전류), 저항 및 온도 등을 모니터링하고 이를 근거로 배터리(1)의 충전상태(SOC : State Of Charge), 사이클 카운트(cycle count), 충전 용량 및 방전 용량을 계산한 후 그 결과를 메모리(20)에 저장한다. 특히, 배터리 게이지(10)는 방전 전류를 저전류 방전과 고전류 방전으로 구분하여 각각의 경우에 대한 방전 용량들을 계산한 후 그 값들을 메모리(20)에 저장한다. 또한, 배터리 게이지(10)는 사이클 카운트를 컨트롤러(30)에 제공한다. 이러한 배터리 게이지(10)는 칩셋(chipset) 형태로 구현될 수 있으며, 배터리(1)의 상태를 모니터링하여 배터리(1)의 충전상태(SOC : State Of Charge), 사이클 카운트(cycle count), 충전 용량 및 방전 용량을 측정할 수 있다면 종래의 어떠한 종류의 칩셋(chipset)이 사용되어도 무방하다.

메모리(20)는 배터리 게이지(10)에서 계산된 값들을 저장하고, 컨트롤러(30)의 요청에 따라 저장된 데이터를 컨트롤러(30)에 제공한다. 이러한 메모리(20)로는 NAND 플래시 메모리 등의 불휘발성 메모리가 사용될 수 있다.

컨트롤러(30)는 배터리 게이지(10)에 의해 측정되어 메모리(20)에 저장된 정보를 이용하여 배터리(1)가 사용되는 패턴을 분석하고, 그 사용 패턴에 따라 배터리(1)에 대한 충방전을 가변적으로 제어한다. 이를 위해, 예컨대, 컨트롤러(30)는 기 설정된 일정 사이클 카운트(예컨대, 50) 마다 해당 사이클 카운트 동안에 누적된 저전류 방전 용량(low current discharge capacity)과 고전류 방전 용량(high current discharge capacity)을 비교한다. 그 비교 결과에 따라, 컨트롤러(30)는 저전류 방전 용량과 고전류 방전 용량의 비율이 기 설정된 일정 비율(예컨대, 2%) 이내이면 충전 전류를 조절하고, 저전류 방전 용량과 고전류 방전 용량의 차이가 기 설정된 일정 비율을 초과하면 방전 전류를 조절한다. 이때, 충전 전류 및 방전 전류의 조절은 다음번의 사용 패턴 분석 때까지 예컨대 사이클 카운트가 다시 50회가 될 때까지 충전시 및 방전시에 지속적으로 수행될 수 있다. 이러한 컨트롤러(30)의 동작은 상세하게 후술된다.

충전부(40)는 외부의 충전기(미도시) 및 배터리(1)와 연결되며, 충전기로부터 전력을 공급받아서 배터리(1)에 충전 전력을 공급한다. 이러한 충전부(40)는 컨트롤러(30)의 제어에 따라 배터리(1)에 공급되는 전류(충전 전류)의 크기를 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

먼저, 설명의 편의를 위해 본 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 장치가 스마트폰에 적용되어 사용되는 경우를 예시적으로 설명한다.

사용자가 스마트폰을 사용하는 동안, 배터리 게이지(10)는 기 정의된 알고리즘에 따라 배터리(1)의 전압, 충전시의 전류, 방전시의 전류, 저항 및 온도 등을 지속적으로 측정하여 모니터링하고, 그러한 정보들을 이용하여 배터리(1)의 SOC, 사이클 카운트, 충전 용량 및 방전 용량을 계산한 후 그 결과를 메모리(20)에 저장한다(S110).

특히, 배터리 게이지(10)는 방전시의 전류를 저전류 방전과 고전류 방전으로 구분하여 각각의 경우에 대한 방전 용량을 계산한다. 예컨대, 배터리 게이지(10)는 방전율(C-rate)이 0.1C ∼ 0.2C 수준인 저전류 방전의 경우에 대한 방전용량(저전류 방전용량)과 방전율(C-rate)이 0.5C ∼ 0.7C 수준인 고전류 방전의 경우에 대한 방전 용량(고전류 방전 용량)을 구분하여 계산하고, 각 경우의 방전 용량들을 메모리(20)에 저장한다. 이때, 배터리 게이지(10)는 방전시의 전류를 일정 시간 단위로 평균을 구한 후 그 평균 전류를 이용하여 방전율을 산정할 수 있다.

또한, 배터리 게이지(10)는 계산된 사이클 카운트를 컨트롤러(30)에게 전송한다.

배터리 게이지(10)로부터 사이클 카운트를 제공받은 컨트롤러(30)는 사이클 카운트가 기 설정된 횟수(예컨대, 본 실시 예에서는 50회)에 도달했는지 여부를 판단한다(S120).

사이클 카운트가 기 설정된 횟수에 도달하게 되면, 컨트롤러(30)는 저전류 방전 용량과 고전류 방전 용량을 각각 계산한 후 그 용량들의 비율이 기 설정된 일정 비율(예컨대, 본 실시 예에서는 2%) 이내인지 여부를 판단한다(S130).

예컨대, 컨트롤러(30)는 사이클 카운트가 50회가 되는 동안에 배터리 게이지(10)에 의해 메모리(20)에 지속적으로 누적되게 저장된 저전류 방전 용량 값들과 고전류 방전 용량 값들을 각각 합산한 후 합산된 저전류 방전 용량을 합산된 고전류 방전 용량으로 나누어 그 값이 1.02 이내( 저전류 방전 용량/고전류 방전 용량 ≤ 1.02 )인지 아닌지 여부를 판단한다.

판단 결과, 저전류 방전 용량과 고전류 방전 용량의 비율이 2% 이내이면, 컨트롤러(30)는 배터리(1)의 충전 전류를 조절하도록 충전부(40)의 동작을 제어한다(S140).

이를 위해, 컨트롤러(30)는 이후 사이클 카운트가 다시 50회가 되는 동안에, 배터리(1) 충전시 그 충전 전류를 해당 배터리의 충전 스펙보다 일정 수준 낮추도록 충전부(40)를 제어할 수 있다.

예컨대, 컨트롤러(30)는 충전 전류를 1C에서 0.9C로 낮추도록 충전부(40)를 제어할 수 있다. 이때, 컨트롤러(30)는 SOC 전구간에 대해 충전 전류를 낮추도록 충전부(40)의 동작을 제어하거나 SOC 일부 구간(예컨대, SOC 50% ∼ 100%) 구간에 대해서만 충전 전류를 낮추도록 충전부(40)의 동작을 제어할 수 있다.

단계 S130에서의 판단 결과, 저전류 방전 용량과 고전류 방전 용량의 비율이 2%를 초과하면( 저전류 방전 용량/고전류 방전 용량 〉1.02 ), 컨트롤러(30)는 배터리(1)의 충전 전류를 조절하도록 충전부(40)의 동작을 제어한다(S150).

이를 위해, 컨트롤러(30)는 이후 사이클 카운트가 다시 50회가 되는 동안에, 스마트 폰에서 방전되는 전류의 양을 줄이기 위한 조치를 취하거나 사용자에게 방전 전류를 줄일 수 있도록 하는 가이드를 제시할 수 있다.

예컨대, 컨트롤러(30)는 스마트 폰에서 활성화되었으나 기 설정된 일정 시간(예컨대, 15분) 동안 사용되지 않고 있는 어플리케이션(들)을 자동으로 종료시키거나 사용자에게 해당 어플리케이션들을 종료시킬 것을 요청하는 메시지를 출력시킬 수 있다. 또는 컨트롤러(30)는 사용자에게 스마트 폰의 백그라운드 어플리케이션을 종료하도록 안내하거나 배터리의 열화 방지를 위해 어플리케이션의 사용을 자제하도록 권유하는 메시지를 출력시킬 수 있다.

도 4에서는 설명의 편의를 위해 사이클 카운트가 처음 50회가 되는 경우에 대해서만 설명하였으나, 상술한 단계 S110 ∼ S150의 동작들은 사이클 카운트가 매 50회 되는 동안 반복적으로 수행될 수 있다.

상술한 실시 예에서는 설명의 편의를 위해, 저전류 방전 용량과 고전류 방전 용량의 비율을 하나의 기준치(2%)와만 비교하도록 하였으나, 그 기준치를 여러 개들로 세분화하여 각각의 경우에 대해 충전 전류가 감소되는 정도를 다양화(예컨대, 1C → 0.9C 또는 1C → 0.8C 또는 1C → 0.7C)시키거나 방전 전류의 감소를 위한 대응 방법도 다양화할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 배터리
10 : 배터리 게이지
20 : 메모리
30 : 컨트롤러
40 : 충전부

Claims (13)

1. 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리의 사이클 카운트 및 방전 용량을 계산하는 배터리 게이지;
   배터리에 충전 전력을 공급하는 충전부; 및
   상기 사이클 카운트가 기 설정된 횟수에 도달시, 상기 배터리의 방전 형태에 따라 상기 충전부의 동작을 제어하여 상기 배터리에 공급되는 충전 전류를 조절하거나 상기 배터리의 방전 전류를 조절하는 컨트롤러를 포함하는 배터리 충방전 제어 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 배터리 게이지는
   제 1 방전율(C-rate)로 방전되는 제 1 방전 용량과 제 2 방전율로 방전되는 제 2 방전 용량을 구분하여 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 컨트롤러는
   상기 제 1 방전 용량과 상기 제 2 방전 용량의 비율이 기 설정된 기준치 이내인 경우에는 배터리의 충전 전류가 조절되도록 상기 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 컨트롤러는
   배터리의 충전 전류가 배터리의 충전 스펙보다 기 설정된 일정 수준만큼 낮아지도록 상기 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
5. 제 3항에 있어서, 상기 컨트롤러는
   상기 제 1 방전 용량과 상기 제 2 방전 용량의 비율이 상기 기준치 보다 큰 경우에는 배터리의 방전 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 컨트롤러는
   기 설정된 일정 시간 동안 사용되지 않고 있는 기능을 종료시키거나 사용자에게 방전 전류를 줄일 것을 요청하는 메시지를 출력시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
7. 배터리의 사이클 카운트 및 방전 용량을 계산하는 단계;
   상기 사이클 카운트가 기 설정된 횟수에 도달시, 상기 배터리의 방전 형태를 판단하는 단계; 및
   배터리의 방전 형태에 따라 배터리에 공급되는 충전 전류 또는 배터리의 방전 전류를 조절하는 단계를 포함하는 배터리 충방전 제어 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 방전 용량을 계산하는 단계는
   제 1 방전율(C-rate)로 방전되는 제 1 방전 용량과 제 2 방전율로 방전되는 제 2 방전 용량을 구분하여 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 배터리의 방전 형태를 판단하는 단계는
   상기 제 1 방전 용량과 상기 제 2 방전 용량의 비율이 기 설정된 기준치 이내인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 충전 전류 또는 상기 방전 전류를 조절하는 단계는
    상기 제 1 방전 용량과 상기 제 2 방전 용량의 비율이 기 설정된 기준치 이내인 경우에는 배터리의 충전 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 충전 전류의 조절은
    배터리의 충전 전류를 배터리의 충전 스펙보다 일정 수준만큼 낮추는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
12. 제 9항에 있어서, 상기 충전 전류 또는 상기 방전 전류를 조절하는 단계는
    상기 제 1 방전 용량과 상기 제 2 방전 용량의 비율이 기 설정된 기준치 보다 큰 경우에는 배터리의 방전 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 방전 전류의 조절은
    기 설정된 일정 시간 동안 사용되지 않고 있는 기능을 종료시키거나 사용자에게 방전 전류를 줄일 것을 요청하는 메시지를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.

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