KR101502230B1 - 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 상대적으로 빠른 충전 속도를 갖고 상대적으로 작은 열화 현상을 갖는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템을 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하는 단계; 상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하는 단계; 상기 배터리 셀의 충전을 제1휴지 기간(t) 동안 휴지하는 단계; 상기 배터리 셀을 상기 제1전류와는 다른 제2전류로 정전류 충전하는 단계; 및, 상기 배터리 셀을 상기 제1전압과는 다른 제2전압으로 정전압 충전하는 단계로 이루어진 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템을 개시한다.
이를 위해 본 발명은 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하는 단계; 상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하는 단계; 상기 배터리 셀의 충전을 제1휴지 기간(t) 동안 휴지하는 단계; 상기 배터리 셀을 상기 제1전류와는 다른 제2전류로 정전류 충전하는 단계; 및, 상기 배터리 셀을 상기 제1전압과는 다른 제2전압으로 정전압 충전하는 단계로 이루어진 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템을 개시한다.
Description
본 발명의 일 실시예는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 한번 방전해 버리면 다시 쓸 수 없는 전지를 1차 전지라 하고, 방전되어도 다시 재충전하여 계속 사용할 수 있는 전지를 2차 전지라고 한다.
최근, 피처폰(feature phone), 스마트폰(smart phone), PDA폰, 디지털 카메라, 노트북형 컴퓨터, 전동공구, 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 보급이 확산됨에 따라 2차 전지의 수요가 급증하고 있다.
이러한 2차 전지는 일반적으로 정전류(constant current mode) 정전압(constant voltage mode) 방식으로 충전한다. 즉, 2차 전지를 충전함에 있어서, 미리 정해진 전지 전압까지 일정한 정전류로 충전하고, 이어서 전지 전압을 일정한 정전압으로 고정한 채 충전함으로써 자연스럽게 충전 전류가 감소하도록 한다.
본 발명의 일 실시예는 상대적으로 빠른 충전 속도를 갖고, 상대적으로 작은 열화 현상을 갖는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법은 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하는 단계; 상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하는 단계; 상기 배터리 셀의 충전을 제1휴지 기간(t) 동안 휴지하는 단계; 상기 배터리 셀을 상기 제1전류와는 다른 제2전류로 정전류 충전하는 단계; 및, 상기 배터리 셀을 상기 제1전압과는 다른 제2전압으로 정전압 충전하는 단계를 포함한다.
상기 휴지 기간(t)은 1ms 내지 10s일 수 있다.
상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)의 1배 내지 10배일 수 있다.
상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)은 아래의 수학식에서 A값이 1/e만큼 감소하는 시간일 수 있다.
여기서, An은 배터리 셀의 휴지 시작 시 배터리 셀 전압 Vn에서 배터리 셀의 전압 안정화 후 배터리 셀 전압 vn ,0을 감산한 값이고, n는 자연수이며, t는 0보다 크다.
본 발명은 상기 배터리 셀의 충전 용량을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 충전 용량에 비례할 수 있다.
본 발명은 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 단계를 더 포함하고, 상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 온도에 반비례할 수 있다.
본 발명은 상기 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하면서, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하여, 상기 배터리 셀의 전압이 제1기준 전압에 도달하였는지 판단하는 단계; 및 상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하면서, 상기 배터리 셀의 충전 전류를 센싱하여, 상기 배터리 셀의 충전 전류가 제1기준 전류에 도달하였는지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀의 충전 전류가 제1기준 전류에 도달하면 상기 휴지 단계를 수행할 수 있다.
본 발명은 상기 배터리 셀을 제2전류로 정전류 충전하면서, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하여, 상기 배터리 셀의 전압이 제2기준 전압에 도달하였는지 판단하는 단계; 및 상기 배터리 셀을 제2전압으로 정전압 충전하면서, 상기 배터리 셀의 충전 전류를 센싱하여, 상기 배터리 셀의 충전 전류가 제2기준 전류에 도달하였는지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2기준 전압이 상기 제1기준 전압보다 클 수 있다.
상기 제2기준 전류가 상기 제1기준 전류보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 시스템은 배터리 셀; 상기 배터리 셀의 전압을 감지하는 전압 센서; 및 상기 배터리 셀을 충전하는 충전 전류를 감지하는 전류 센서로 이루어진 배터리 팩; 및 상기 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하고, 상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하고, 상기 배터리 셀의 충전을 제1휴지 기간(t) 동안 휴지하고, 상기 배터리 셀을 상기 제1전류와는 다른 제2전류로 정전류 충전하고, 상기 배터리 셀을 상기 제1전압과는 다른 제2전압으로 정전압 충전하는 충전부를 포함한다.
상기 휴지 기간(t)은 1ms 내지 10s일 수 있다.
상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)의 1배 내지 10배일 수 있다.
상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)은 아래의 수학식에서 A값이 1/e만큼 감소하는 시간일 수 있다.
여기서, An은 배터리 셀의 휴지 시작 시 배터리 셀 전압 Vn에서 배터리 셀의 전압 안정화 후 배터리 셀 전압 vn ,0을 감산한 값이고, n는 자연수이며, t는 0보다 크다.
상기 배터리 팩은 상기 배터리 셀의 충전 용량을 계산하는 충전 용량 계산부를 더 포함하고, 상기 충전부에 의한 상기 휴지 기간은 상기 배터리 셀의 충전 용량에 비례하도록 제어될 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 충전부에 의한 상기 휴지 기간은 상기 배터리 셀의 온도에 반비례하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 상대적으로 빠른 충전 속도를 갖고, 상대적으로 작은 열화 현상을 갖는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템을 제공한다.
즉, 본 발명은 휴지 기간을 갖는 적어도 2구간의 정전류 정전압 충전 방식을 포함하며, 휴지 기간은 1ms 내지 1s, 또는 배터리 셀의 전압 안정화 시간의 1배 내지 10배 정도가 되도록 한다. 이와 같이 하여, 본 발명은 배터리를 급속 충전하도록 하는 동시에, 휴지 기간 동안 배터리 셀의 전압이 충분히 안정화되기 때문에, 배터리의 열화 현상이 작아진다. 다르게 설명하면, 휴지 기간 동안 양극 활물질/음극 활물질과 리튬 이온 상호간의 인터칼레이트(intercalate)/디인터칼레이트(intercalate) 상태가 최적화되기 때문에, 배터리의 급속 충전이 가능하면서도 배터리의 열화 현상은 작다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 개략 순서도이고, 도 1b는 전류, 전압 및 용량의 변화를 도시한 그래프이며, 도 1c는 배터리 셀의 전압 안정화 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 개략 순서도이고, 도 1b는 전류, 전압 및 용량의 변화를 도시한 그래프이며, 도 1c는 배터리 셀의 전압 안정화 시간을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 배터리 충전 방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 제1정전류 정전압 충전 단계(S10), 제1휴지 단계(S20), 제2정전류 정전압 충전 단계(S30)를 포함한다. 또한, 본 발명은 제2휴지 단계(S40), 제3정전류 정전압 충전 단계(S50) 및 완전 충전 정지 단계(S60)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 정전류 정전압 충전 단계 및 휴지 단계의 갯수는 본 명세서에서 설명한 갯수보다 작거나 또는 더 많을 수 있으며, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 이러한 정전류 정전압 충전 단계 및 휴지 단계의 갯수는 배터리 셀의 용량이나 특성에 따라 변경될 수 있다.
제1정전류 정전압 충전 단계(S10)는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 배터리 셀을 제1정전류 정전압 방식으로 충전하여 이루어진다. 즉, 배터리 셀의 전압이 미리 정해진 제1기준 전압에 도달(증가)할 때까지 배터리 셀을 정전류(CC)[또는 제1전류]로 충전하고, 이어서 배터리 셀의 충전 전류가 미리 정해진 제1기준 충전 전류에 도달(감소)할 때까지 배터리 셀을 정전압(CV)[또는 제1전압]으로 충전한다.
이와 같이 하여, 전류 관점에서 보면 정전류 충전 모드에서는 충전 전류가 일정하고, 정전압 충전 모드에서는 충전 전류가 점차 감소한다. 또한, 전압 관점에서 보면, 정전류 충전 모드에서는 배터리 셀의 전압이 점차 증가하고, 정전압 충전 모드에서는 배터리 셀의 전압이 일정하다. 물론, 충전 시간이 지남에 따라 배터리 셀의 충전 용량은 점차 증가한다. (도 1b 참조)
제1휴지 단계(S20)는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 미리 결정된 휴지 기간(t) 동안 배터리 셀의 충전을 휴지(정지)하여 이루어진다. 즉, 미리 결정된 휴지 기간(t) 동안 충전 전류가 배터리 셀에 공급되지 않으며, 이때 리튬 이온의 재정렬로 인하여 배터리 셀의 전압이 약간 감소하여 결국 배터리 셀의 전압이 안정화된다.
여기서, 제1휴지 기간(t)은 대략 1ms 내지 10s일 수 있다. 또한, 제1휴지 기간(t)은 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)에 대하여 대략 1배 내지 10배일 수 있다. 여기서, 휴지 기간이 상기 수치 범위보다 작을 경우, 활물질에 대한 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션 상태가 불안정하기 때문에 배터리 셀의 열화 현상이 증가하고, 또한 이러한 휴지 기간이 상기 수치 범위보다 클 경우, 배터리 셀의 충전 휴지 기간이 길어지기 때문에 배터리 셀의 충전 완료 시간도 함께 길어진다.
한편, 도 1c를 참조하면, 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)은 아래의 수학식 1에서 A의 변화가 1/e만큼 진행하는데 걸리는 시간으로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
여기서, An은 배터리 셀의 휴지 시작 시 배터리 셀 전압 Vn에서 배터리 셀의 전압 안정화 후 배터리 셀 전압 vn ,0을 감산한 값이고, n는 자연수이며, t는 0보다 큰 값이다. 즉, A1=V1-V1 ,0, A2=V2-V2 ,0, A3=V3-V3 ,0, ..., An=Vn-Vn ,0일 수 있으며, 또한, V1,0, V2 ,0, V3 ,0, ..., Vn , 0는 실험이나 시뮬레이션을 통하여 얻어지며, 이때 최적의 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)도 함께 결정된다.
한편, 수학식 1에서 휴지 기간(t)과 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)이 같을 경우, A의 변화가 1/e만큼 진행한 것으로 볼 수 있다.
이러한 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)은 배터리 셀을 이루는 여러가지 구성 요소들에 종속적이지만, 대체로 상술한 바와 같이 대략 1ms 내지 10s의 범위이거나, 또는 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)에 대하여 대략 1배 내지 10배일 수 있다. 즉, 이러한 수치 범위 내에서 음극 활물질에 대한 리튬 이온의 인터칼레이션 공간이 최대한 확보되고, 이에 따라 충전 시간이 단축됨은 물론 열화 현상이 최소화된다.
더불어, 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)은 배터리 셀의 전압(용량)이 증가함에 따라 길어지는데, 이에 따라 상술한 휴지 기간 역시 배터리 셀의 전압(용량)이 증가함에 따라 길어질 수 있다. 즉, 도 1c에 도시된 바와 같이, 배터리 셀의 전압 안정화 시간은 배터리 셀의 전압(용량)이 증가함에 따라, τ3>τ2>τ1의 관계를 가질 수 있다. 물론, 경우에 따라 τ1, τ2, τ3는 동일한 값일 수도 있다.
제2정전류 정전압 충전 단계(S30)는, 배터리 셀을 제2정전류 정전압 방식으로 충전하여 이루어진다. 즉, 배터리 셀의 전압이 미리 정해진 제2기준 전압에 도달(증가)할 때까지 배터리 셀을 정전류[또는 제1전류와 다른 제2전류]로 충전하고, 이어서 배터리 셀의 충전 전류가 미리 정해진 제2기준 충전 전류에 도달(감소)할 때까지 배터리 셀을 정전압[또는 제1전압과 다른 제2전압]으로 충전한다.
여기서, 제2기준 전압은, 충전이 진행됨에 따라 배터리 셀의 전압이 점차 증가하기 때문에, 제1기준 전압보다 크게 설정되고, 또한 제2기준 전류는, 충전이 진행됨에 따라 배터리 셀에 공급되는 충전 전류가 작아지기 때문에, 제1기준 전류보다 작게 설정된다.
제2휴지 단계(S40)는, 미리 결정된 휴지 기간(t) 동안 상기 배터리 셀의 충전을 휴지하여 이루어진다. 즉, 미리 결정된 휴지 기간 동안 충전 전류가 배터리 셀에 공급되지 않는다. 이때, 제2휴지 기간은 상술한 제1휴지 기간에 비해 길어질 수 있다. 즉, 제2휴지 단계에서는 배터리 셀의 전압 또는 용량이 이전보다 증가하기 때문에, 배터리 셀의 전압 안정화 시간이 더 필요하고, 이에 따라 제2휴지 기간도 이전보다 더 길어질 수 있다.
제3정전류 정전압 충전 단계(S50)는, 배터리 셀을 제3정전류 정전압 방식으로 충전하여 이루어진다. 즉, 배터리 셀의 전압이 미리 정해진 제3기준 전압에 도달할 때까지 배터리 셀을 정전류[또는 제1,2전류와 다른 제3전류]로 충전하고, 이어서 배터리 셀의 충전 전류가 미리 정해진 제3기준 충전 전류에 도달할 때까지 배터리 셀을 정전압[또는 제1,2전압과 다른 제3전압]으로 충전한다.
여기서, 제3기준 전압은 제2기준 전압보다 크고, 또한 제3기준 전류는 제2기준 전류보다 작다.
완전 충전 정지 단계(S60)는, 상술한 바와 같이 배터리 셀의 전류가 미리 정해진 제3기준 충전 전류에 도달하면, 배터리 셀의 충전을 완전히 정지하거나 또는 트리클 충전 모드로 전환하여 이루어진다.
한편, 여기서 상술한 제1,2휴지 기간은 모두 같게 설정되거나, 또는 상술한 바와 같이 배터리 셀의 전압 또는 용량에 따라 조정될 수 있다. 더욱이, 제1,2휴지 기간은 배터리 셀의 온도에 따라 조정될 수도 있다.
일례로, 휴지 기간은 배터리 셀의 전압 또는 충전 용량에 비례할 수 있다. 즉, 휴지 기간은 배터리 셀의 전압 또는 충전 용량이 커질 수록 더 커질 수 있다. 다른 예로, 휴지 기간은 배터리 셀의 온도에 반비례할 수 있다. 즉, 휴지 기간은, 배터리 셀의 온도가 클 수록 활물질 표면에서의 리튬 이온 농도가 증가하므로, 더 작아질 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예는 상대적으로 충전 속도가 빠르고, 전지 열화 현상이 작은 배터리 충전 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 휴지 기간을 갖는 적어도 2구간의 정전류 정전압 충전 방식을 포함하며, 휴지 기간은 1ms 내지 10s 또는 배터리 셀의 전압 안정화 시간의 1배 내지 10배 정도가 되도록 함으로써, 배터리를 급속 충전하는 동시에, 휴지 기간 동안 배터리 셀의 전압이 충분히 안정화되어 배터리의 열화 현상이 작아진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 도시한 블럭도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 순서도로서, 이는 도 1a에 도시된 순서도를 구체화한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 충전 시스템(100)은 배터리 셀(110), 충전 스위치(120), 방전 스위치(130), 온도 센서(140), 전류 센서(150) 및 MPU(160)(Micro Processor Unit)를 포함한다. 이러한 구성을 배터리 팩으로 정의할 수도 있다. 또한, 이러한 배터리 충전 시스템(100)은 팩 단자(P+,P-) 및 통신 단자(C,D)를 통하여 외부 전자 기기(200)에 접속된다. 여기서, 외부 전자 기기(200)는 예를 들면 충전 기능이 있는 휴대폰, 스마트폰, 노트북형 컴퓨터, 전동공구 등일 수 있다. 물론, 외부 전자 기기(200)는 충전기 자체일 수도 있다.
배터리 셀(110)은 통상 충전이 가능한 이차 전지일 수 있으며, 예를 들면, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등일 수 있다. 그러나, 이러한 종류로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에서는 비록 하나의 배터리 셀(110)이 도시되어 있으나, 이는 직렬 또는 병렬로 연결된 다수개일 수도 있다.
충전 스위치(120)는 배터리 셀(110)의 양극 단자(B+)와 팩 양극 단자(P+) 사이에 설치될 수 있으며, 이는 배터리 셀(110)이 과충전될 경우 MPU(160)의 제어 신호에 의해 턴오프됨으로써, 배터리 셀(110)의 과충전을 방지한다. 이러한 충전 스위치(120)는 통상의 MOSFET 또는 릴레이일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
방전 스위치(130) 역시 배터리 셀(110)의 양극 단자(B+)와 팩 양극 단자(P+) 사이에 설치될 수 있으며, 이는 배터리 셀(110)이 과방전될 경우 MPU(160)의 제어 신호에 의해 턴오프됨으로써, 배터리 셀(110)의 과방전을 방지한다. 이러한 방전 스위치(130)는 통상의 MOSFET 또는 릴레이일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
온도 센서(140)는 배터리 셀(110)에 직접 부착되거나 또는 배터리 셀(110)의 주변에 설치되어, 배터리 셀(110) 또는 배터리 셀(110)의 주변 온도를 감지하고, 이를 MPU(160)에 전송한다. 이러한 온도 센서(140)는 예를 들면 상술한 바와 같이 써미스터일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
전류 센서(150)는 배터리 셀(110)의 음극 단자(B-)와 팩 음극 단자(P-) 사이에 설치될 수 있으며, 이는 배터리 셀(110)의 충전 전류 및 방전 전류를 감지하고, 이를 MPU(160)에 전송한다. 이러한 전류 센서(150)는 통상의 센스 저항일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
MPU(160)는 전압 센서(161), 스위치 구동부(162), 충전 용량 계산부(163), 저장부(164), 타이머(165) 및 제어부(166)를 포함한다. 전압 센서(161)는 배터리 셀(110)에 병렬로 연결되어 배터리 셀(110)의 전압을 센싱하고, 이를 디지털 신호로 변환하여 제어부(166)에 전송한다. 물론, 전류 센서(150)로부터 얻은 전류 및 온도 센서(140)로부터 얻은 온도 역시 디지털 신호로 변환되어 제어부(166)에 전송됨은 당연하다. 또한, 스위치 구동부(162)는 제어부(166)의 제어 신호에 의해 충전 스위치(120) 및/또는 방전 스위치(130)를 턴온 또는 턴오프한다. 즉, 제어부(166)는 온도 센서(140), 전류 센서(150) 및 전압 센서(161) 등으로부터 얻은 정보에 근거하여, 스위치 구동부(162)를 제어한다. 또한, 제어부(166)는 전류 센서(150)로부터 얻은 정보에 근거하여 배터리 셀(110)에 과전류가 흐른다고 판단되면, 스위치 구동부(162)에 제어 신호를 전송하여 충전 스위치(120) 또는 방전 스위치(130)가 턴오프되도록 한다. 더욱이, 제어부(166)는 전압 센서(161)로부터 얻은 정보에 근거하여 배터리 셀(110)이 과충전 및/또는 과방전되었다고 판단되면, 스위치 구동부(162)에 제어 신호를 전송하여 충전 스위치(120) 또는 방전 스위치(130)가 턴오프되도록 한다.
충전 용량 계산부(163)는 전압 센서(161)로부터 얻은 정보에 근거하여, 현재 배터리 셀(110)의 충전 용량을 계산한다. 이를 위해 저장부(164)에는 미리 배터리 셀(110)의 전압 대비 충전 용량의 정보가 룩업 테이블 형태로 저장될 수 있다.
저장부(164)는 상술한 바와 같이, 배터리 셀(110)의 전압 대비 충전 용량, 정상 충전 전압 범위, 정상 방전 전압 범위, 정상 충/방전 전류 범위, 그리고 제1,2,3기준 전압, 제1,2,3기준 전류, 배터리 셀의 충전 용량별 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 룩업 테이블, 배터리 셀의 온도별 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 룩업 테이블, 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)별 제1,2휴지 기간에 대한 룩업 테이블 등이 저장될 수 있다. 이와 같이 저장된 데이터는 제어부(166)에 제공된다. 더불어, 이러한 저장부(164)에는 도 1a 및/또는 도 3에 도시된 충전 방법의 구현을 위한 소프트웨어 또는 프로그램이 저장될 수 있다.
타이머(165)는 배터리 셀(110)의 충전 휴지 기간을 측정하고, 이를 제어부(166)에 전송한다. 이러한 타이머(165)는 기본적으로 MPU(160)에 내장된 클럭일 수 있다.
한편, 제어부(166)는 상술한 바와 같이 온도 센서(140), 전류 센서(150) 및 전압 센서(161)로부터 얻은 정보에 근거하여 스위치 구동부(162)를 동작시키거나, 또는 상술한 제1,2,3기준 전압, 제1,2,3기준 전류, 배터리 셀의 충전 용량별 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 룩업 테이블, 배터리 셀의 온도별 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 룩업 테이블, 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 제1,2휴지 기간 등의 정보를 이용하여 목표하는 배터리 셀의 충전 전압 및/또는 충전 전류(Vset, Iset)와, 휴지 기간(t) 등의 정보를 통신 단자(C,D)를 통하여 외부 전자 기기(200)에 전송한다.
더불어, 본 발명에서는 전압 센서(161) 및 스위치 구동부(162) 등의 제어를 MPU(160)의 제어부(166)가 수행하는 것으로 설명하였으나, 배터리 셀(110)의 개수가 많아짐에 따라 별도의 아날로그 프론트 엔드가 설치되어 이들을 제어할 수도 있음은 자명하다. 더욱이, MPU와 아날로그 프론트 엔드가 별도로 구비되거나, 또는 MPU와 아날로그 프론트 엔드가 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
한편, 외부 전자 기기(200)는 제어부(210) 및 충전기(220)를 포함한다. 제어부(210)는 배터리 팩(100)의 통신 단자(C,D)로부터 얻은 정보를 참조하여, 예를 들면, 목표로 하는 충전 전압 및/또는 충전 전류의 정보(Vset, Iset)를 충전기(220)에 전송한다. 그러면, 충전기(220)는 이러한 충전 전압(Vset) 및/또는 충전 전류(Iset)에 부합하는 충전 전압 및/또는 충전 전류를 배터리 팩에 제공한다. 더불어, 제어부(210)는 배터리 팩으로부터 전압 및 전류 정보(Vf, If)를 피드백 받아 충전기(220)에 전송함으로써, 충전기(220)가 배터리 셀(110)의 충전을 피드백 제어할 수 있도록 한다. 물론, 충전기(220)에는 교류 전원을 직류 전원으로 컨버팅하여 제공하는 AC 어댑터(230)가 연결될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 충전 시스템(100)의 동작을 설명한다.
일례로, 사용자가 AC 어댑터(230)를 교류 전원에 전기적으로 연결하면, 본 발명에 따른 배터리 충전 시스템(100)의 동작이 시작된다.
먼저, 배터리 팩의 제어부(166)가 제1,2,3기준 전압, 제1,2,3기준 전류, 배터리 셀의 충전 용량별 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 룩업 테이블, 배터리 셀의 온도별 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 룩업 테이블, 배터리 셀 전압 안정화 시간(τ)에 대한 제1,2휴지 기간 등의 정보를 이용하여 목표하는 배터리 셀의 충전 전압 및/또는 충전 전류(Vset, Iset)를 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)을, 예를 들면, 제1정전류로 충전하도록 한다(S11).
이러한 제1정전류 충전이 수행될 때, 배터리 팩의 제어부(166)는 전압 센서(161)로부터 배터리 셀(110)의 전압을 센싱한다(S12).
배터리 팩의 제어부(166)는 센싱된 배터리 셀(110)의 전압이 미리 설정된 제1기준 전압에 도달하였는지 판단하고(S13), 만약 배터리 셀(110)의 전압이 제1기준 전압에 도달하였다면, 배터리 셀(110)의 정보(목표로 하는 충전 전압 및/또는 충전 전류의 정보(Vset, Iset))를 갱신하여 외부 전자 기기의 제어부(210)에 재전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)을 제1정전압으로 충전하도록 한다(S14).
이러한 제1정전압 충전이 수행될 때, 배터리 팩의 제어부(166)는 전류 센서(150)로부터 배터리 셀(110)의 충전 전류를 센싱한다(S15).
배터리 팩의 제어부(166)는 센싱된 배터리 셀(110)의 충전 전류가 미리 결정된 제1기준 전류에 도달하였는지 판단하고(S16), 만약 배터리 셀(110)의 전류가 제1기준 전류에 도달하였다면, 배터리 셀(110)의 정보(제1휴지 기간)를 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)의 충전이 미리 정해진 제1휴지 기간동안 휴지되도록 한다(S20).
물론, 배터리 팩의 제어부(166)는 타이머(165)를 이용하여 상기 제1휴지 기간의 초과 여부를 판단하고, 상기 제1휴지 기간을 초과하였다면, 배터리 팩의 제어부(166)는 배터리 셀(110)의 정보(목표로 하는 충전 전압 및/또는 충전 전류의 정보(Vset, Iset))를 갱신하여 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)을 제2정전류로 충전하도록 한다(S31).
이러한 제2정전류 충전이 수행될 때, 배터리 팩의 제어부(166)는 전압 센서(161)로부터 배터리 셀(110)의 전압을 센싱한다(S32).
배터리 팩의 제어부(166)는 센싱된 배터리 셀(110)의 전압이 제2기준 전압에 도달하였는지 판단하고(S33), 만약 배터리 셀(110)의 전압이 제2기준 전압에 도달하였다면, 배터리 셀(110)의 정보(목표로 하는 충전 전압 및/또는 충전 전류의 정보(Vset, Iset))를 갱신하여 외부 전자 기기의 제어부(210)에 재전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)을 제2정전압으로 충전하도록 한다(S34).
이러한 제2정전압 충전이 수행될 때, 배터리 팩의 제어부(166)는 전류 센서(150)로부터 배터리 셀(110)의 충전 전류를 센싱한다(S35).
배터리 팩의 제어부(166)는 센싱된 배터리 셀(110)의 충전 전류가 미리 결정된 제2기준 전류에 도달하였는지 판단하고(S36), 만약 배터리 셀(110)의 전류가 제2기준 전류에 도달하였다면, 배터리 셀(110)의 정보(제2휴지 기간)를 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)의 충전이 미리 정해진 제2휴지 기간동안 휴지되도록 한다(S40).
물론, 배터리 팩의 제어부(166)는 타이머(165)를 이용하여 상기 제2휴지 기간의 초과 여부를 판단하고, 상기 제2휴지 기간을 초과하였다면, 배터리 팩의 제어부(166)는 배터리 셀(110)의 정보(목표로 하는 충전 전압 및/또는 충전 전류의 정보(Vset, Iset))를 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)을 제3정전류로 충전하도록 한다(S51).
이러한 제3정전류 충전이 수행될 때, 배터리 팩의 제어부(166)는 전압 센서(161)로부터 배터리 셀(110)의 전압을 센싱한다(S52).
배터리 팩의 제어부(166)는 센싱된 배터리 셀(110)의 전압이 미리 결정된 제3기준 전압에 도달하였는지 판단하고(S53), 만약 배터리 셀(110)의 전압이 제3기준 전압에 도달하였다면, 배터리 셀(110)의 정보(목표로 하는 충전 전압 및/또는 충전 전류의 정보(Vset, Iset))를 갱신하여 외부 전자 기기의 제어부(210)에 재전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)를 제어하여 배터리 셀(110)을 제3정전압으로 충전하도록 한다(S54).
이러한 제3정전압 충전이 수행될 때, 배터리 팩의 제어부(166)는 전류 센서(150)로부터 배터리 셀(110)의 충전 전류를 센싱한다(S55).
배터리 팩의 제어부(166)는 센싱된 배터리 셀(110)의 전류가 미리 결정된 제3기준 전류에 도달하였는지 판단하고(S56), 만약 배터리 셀(110)의 전류가 제3기준 전류에 도달하였다면, 충전 정지 정보를 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송함으로써, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 충전기(220)의 동작을 정지하여, 배터리 셀(110)의 충전이 완전히 정지되도록 한다(S60).
여기서, 상술한 제1,2휴지 기간은 모두 같거나 또는 배터리 셀(110)의 전압, 충전 용량 또는 배터리 셀(110)의 온도에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예를 들면, 휴지 기간은 배터리 셀(110)의 전압 또는 충전 용량이 증가함에 따라 점차 길어질 수 있다. 또한, 휴지 기간은 배터리 셀(110)의 온도가 증가함에 따라 점차 짧아질 수 있다.
더불어, 제1기준 전압은 제2기준 전압보다 작고, 제2기준 전압은 제3기준 전압보다 작게 설정된다. 또한, 제1기준 전류는 제2기준 전류보다 크고, 제2기준 전류는 제3기준 전류보다 크게 설정된다.
한편, 이상의 설명에서 배터리 팩의 제어부(166)가 목표로 하는 배터리 셀(110)의 전압 및/또는 전류 정보, 휴지 기간 등의 정보를 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송하는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라 외부 전자 기기의 제어부(210)가 자체적으로 이를 결정할 수도 있다. 즉, 배터리 팩의 제어부(166)가 배터리 셀(110)의 기본적인 정보 즉, 전압, 전류, 충전 용량, 온도 등의 정보를 외부 전자 기기의 제어부(210)에 전송하면, 외부 전자 기기의 제어부(210)가 이를 근거로 목표로 하는 배터리 셀(110)의 전압 및/또는 전류, 휴지 기간 등을 결정할 수 있다. 물론, 외부 전자 기기의 제어부(210)는 이를 위한 추가적인 소프트웨어 및 하드웨어를 필요로 할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 배터리 충전 시스템
110; 배터리 셀 120; 충전 스위치
130; 방전 스위치 140; 온도 센서
150; 전류 센서 160; MPU(Micro Processor Unit)
161; 전압 센서 162; 스위치 구동부
163; 충전 용량 계산부 164; 저장부
165; 타이머 166; 제어부
200; 외부 전자 기기 210; 제어부
220; 충전기 230; AC 어댑터
110; 배터리 셀 120; 충전 스위치
130; 방전 스위치 140; 온도 센서
150; 전류 센서 160; MPU(Micro Processor Unit)
161; 전압 센서 162; 스위치 구동부
163; 충전 용량 계산부 164; 저장부
165; 타이머 166; 제어부
200; 외부 전자 기기 210; 제어부
220; 충전기 230; AC 어댑터
Claims (17)
- 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하는 단계;
상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하는 단계;
상기 배터리 셀의 충전을 제1휴지 기간(t) 동안 휴지하는 단계;
상기 배터리 셀을 상기 제1전류와는 다른 제2전류로 정전류 충전하는 단계; 및,
상기 배터리 셀을 상기 제1전압과는 다른 제2전압으로 정전압 충전하는 단계를 포함하고,
상기 배터리 셀의 충전 용량을 계산하는 단계를 더 포함하며, 상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 충전 용량에 비례함을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 휴지 기간(t)은 1ms 내지 10s인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)의 1배 내지 10배인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)은 아래의 수학식에서 A값이 1/e만큼 감소하는 시간인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
여기서, An은 배터리 셀의 휴지 시작 시 배터리 셀 전압 Vn에서 배터리 셀의 전압 안정화 후 배터리 셀 전압 vn ,0을 감산한 값이고, n는 자연수이며, t는 0보다 크다. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 단계를 더 포함하고,
상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 온도에 반비례함을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하면서, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하여, 상기 배터리 셀의 전압이 제1기준 전압에 도달하였는지 판단하는 단계; 및
상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하면서, 상기 배터리 셀의 충전 전류를 센싱하여, 상기 배터리 셀의 충전 전류가 제1기준 전류에 도달하였는지 판단하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 배터리 셀의 충전 전류가 제1기준 전류에 도달하면 상기 휴지 단계를 수행함을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 배터리 셀을 제2전류로 정전류 충전하면서, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하여, 상기 배터리 셀의 전압이 제2기준 전압에 도달하였는지 판단하는 단계; 및
상기 배터리 셀을 제2전압으로 정전압 충전하면서, 상기 배터리 셀의 충전 전류를 센싱하여, 상기 배터리 셀의 충전 전류가 제2기준 전류에 도달하였는지 판단하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제2기준 전압이 상기 제1기준 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제2기준 전류가 상기 제1기준 전류보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법. - 배터리 셀; 상기 배터리 셀의 전압을 감지하는 전압 센서; 및 상기 배터리 셀을 충전하는 충전 전류를 감지하는 전류 센서로 이루어진 배터리 팩; 및
상기 배터리 셀을 제1전류로 정전류 충전하고, 상기 배터리 셀을 제1전압으로 정전압 충전하고, 상기 배터리 셀의 충전을 제1휴지 기간(t) 동안 휴지하고, 상기 배터리 셀을 상기 제1전류와는 다른 제2전류로 정전류 충전하고, 상기 배터리 셀을 상기 제1전압과는 다른 제2전압으로 정전압 충전하는 충전부를 포함하고,
상기 배터리 팩은 상기 배터리 셀의 충전 용량을 계산하는 충전 용량 계산부를 더 포함하고, 상기 충전부에 의한 상기 휴지 기간은 상기 배터리 셀의 충전 용량에 비례하도록 제어됨을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템. - 제 12 항에 있어서,
상기 휴지 기간(t)은 1ms 내지 10s인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템. - 제 12 항에 있어서,
상기 휴지 기간(t)은 상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)의 1배 내지 10배인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템. - 제 14 항에 있어서,
상기 배터리 셀의 전압 안정화 시간(τ)은 아래의 수학식에서 A값이 1/e만큼 감소하는 시간인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
여기서, An은 배터리 셀의 휴지 시작 시 배터리 셀 전압 Vn에서 배터리 셀의 전압 안정화 후 배터리 셀 전압 vn ,0을 감산한 값이고, n는 자연수이며, t는 0보다 크다. - 삭제
- 제 12 항에 있어서,
상기 배터리 팩은 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 온도 센서를 더 포함하고,
상기 충전부에 의한 상기 휴지 기간은 상기 배터리 셀의 온도에 반비례하도록 제어됨을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
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