KR20090126099A - 배터리 팩 및 그 충전 방법 - Google Patents

배터리 팩 및 그 충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 및 그 충전 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리의 수명열화에 따라 배터리의 만충전 전압값이 조절되는 배터리 팩 및 그 충전 방법을 제공하는 데 있다.
이를 위해 양극과 음극을 가지는 재충전 가능한 배터리; 배터리의 대전류 경로와 전기적으로 연결되는 충전 스위칭 소자와 방전 스위칭 소자를 포함하는 스위칭소자부; 및 스위칭소자부와 전기적으로 연결되어 충전 스위칭 소자와 방전 스위칭 소자를 제어하고, 배터리와 전기적으로 연결되어 배터리의 개로전압 또는 사용 시간을 검출하며, 배터리의 개로전압과 사용 시간 가운데 적어도 하나를 기준으로 하여 배터리의 열화를 판정하고, 배터리의 열화시 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 배터리 관리 유닛(BMU; Battery Management Unit)으로 이루어진 배터리 팩을 개시한다.
수명 열화, 불균형, 폭발, 만충전 전압, 배터리 관리 유닛

Description

배터리 팩 및 그 충전 방법{BATTERY PACK AND METHOD OF CHARGE THEREOF}
본 발명은 배터리 팩 및 그 충전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 수명열화에 따라 배터리의 만충전 전압값이 조절되는 배터리 팩 및 그 충전 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지를 이용한 배터리 팩은 전극조립체와 전해액을 케이스로 밀봉한 배터리와 보호회로를 전기적으로 연결시켜 사용하게 된다. 여기서, 배터리는 화학반응에 의하여 전기를 충방전하고, 상기 보호회로는 배터리의 충방전을 제어하면서 과충전 및 과방전 등을 방지하여 배터리를 보호하게 된다.
여기서, 보호회로는 과충전을 방지하기 위하여 만충전 모드를 가지고 있다. 만충전 모드는 배터리의 충전 전압이 특정값에 도달할 경우, 보호회로 자체적으로 배터리의 충전을 중단시키는 동작을 하게 된다. 따라서, 배터리는 과충전이 방지되어 과열이 방지되며 수명도 증가하게 된다.
하지만, 배터리는 보호회로가 과충전을 방지함에도 불구하고, 시간이 지날수록 최초 전력 용량보다 낮은 용량을 갖게되는 수명 열화를 필수적으로 수반하게 된 다.
수명이 열화된 배터리는 최초 용량보다 낮은 용량을 갖고 있으므로, 과충전을 방지위한 만충전 전압 설정값까지 충전시 과열하는 현상이 발생하게 된다. 이 경우, 계속적인 과열에 의해 수명열화가 심해진 배터리는 최초 설정된 만충전 전압까지 충전시 수명열화의 가속으로 인해서 수명이 단축되는 현상이 발생하게 된다. 즉, 수명열화가 가속된 배터리는 배터리 팩의 안정성을 하락시키게 된다.
또한, 노트북과 같이 복수 개의 배터리를 사용하는 휴대용 전자 제품은 복수 개의 배터리를 일괄적으로 충전시키게 된다. 그런데, 상기 복수 개의 배터리들 가운데 어느 하나의 배터리만이 수명 열화가 발생하는 경우, 셀 임밸런스(Cell imbalance)의 문제가 발생하게 된다. 즉, 복수 개의 배터리 가운데 수명 열화가 발생된 배터리가 존재할 경우, 상기 수명 열화된 배터리는 최초 설정된 만충전 전압으로 충전되므로, 수명 열화가 가속되어 수명이 배터리의 전체 수명이 단축되는 현상이 발생하게 된다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위하여 배터리 팩 자체적으로 배터리의 만충전 전압이 너무 낮게 설정되는 경우, 배터리는 충전 효율이 낮아지게 되므로, 배터리의 전력 공급 능력이 낮아지는 문제를 수반하게 된다.
본 발명의 기술적 과제는 배터리의 수명열화에 따라 배터리의 만충전 전압값이 조절되는 배터리 팩 및 그 충전 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 복수 개의 배터리들 가운데 적어도 어느 하나의 배터리가 수명 열화를 수반하는 셀 임밸런스(Cell imbalance)의 경우에 배터리의 만충전 전압값이 조절되어 안정성이 향상되는 배터리 팩 및 그 충전 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩은 양극과 음극을 가지는 재충전 가능한 배터리; 상기 배터리의 대전류 경로와 전기적으로 연결되는 충전 스위칭 소자와 방전 스위칭 소자를 포함하는 스위칭소자부; 및 상기 스위칭소자부와 전기적으로 연결되어 상기 충전 스위칭 소자와 방전 스위칭 소자를 제어하고, 상기 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 배터리의 개로 전압과 사용 시간을 측정하며, 상기 배터리의 개로 전압 또는 사용 시간을 기준으로 하여 상기 배터리의 열화 여부를 판정하고, 상기 배터리의 열화시 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 배터리 관리 유닛(BMU; Battery Management Unit)을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리의 개로 전압이 임계 전압 이하로 떨어지는 제 1 열화의 경우와, 상기 배터리의 사용 기간이 특정기간을 경과한 제 2 열화의 경우 각각에 대하여 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리에 흐르는 전류량을 적산하여 상기 배터리의 충전율을 더 검출하며, 상기 배터리의 충전율이 임계값 이상 유지한 채 상기 배터리가 일정 기간 동안 방치되는 제 3 열화의 경우, 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 제 2 열화의 경우, 상기 특정기간은 상기 배터리의 사용시간이 10개월 내지 25개월에서 설정될 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리의 열화시에는 상기 배터리의 만충전 전압을 상기 배터리의 만충전 전압에서 40mV 내지 60mV 낮추어 설정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리의 열화시마다 한번씩 상기 배터리의 만충전 전압을 낮추고 상기 배터리의 만충전 전압이 만충전 전압 한계값까지 낮아지는 경우, 상기 배터리의 만충전 전압을 낮추는 것을 중단할 수 있다. 이 경우, 상기 만충전 전압 한계값은 3.95V 내지 4.05V 사이에서 결정될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은 상기 배터리 관리 유닛과 전기적으로 연결되는 온도 센서를 더 포함하여 형성되며, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 온도 센서에서 입력되는 신호값으로 상기 배터리의 온도를 검출하고, 상기 배터리의 온도가 상온의 특정 임계값부터 올라갈수록 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 조절할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리의 만충전 전압 감지시 상기 충전 스위칭 소자를 턴 오프시켜 상기 배터리의 충전을 중단시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은 상기 배터리의 양극과 음극의 대전류 경로상에 설치되는 전류 검출 소자를 더 포함하여 형성되고, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 전류 검출 소자와 전기적으로 연결되어 상기 배터리의 전류값을 검출할 수 있다.
또한, 상기 전류 검출 소자는 센스 레지스터로 형성되고, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 센스 레지스터의 양 단과 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 센스 레지스터의 기준 전압값이 입력된 상태로 상기 센스 레지스터의 양 단 전압차를 측정하여 상기 배터리에서 흐르는 전류량을 계산할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 배터리의 개로전압을 검출하고, 상기 충/방전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되어 상기 충/방전 스위칭 소자를 턴 온 또는 턴 오프시키며, 상기 배터리의 특정 임계값에서 상기 충전 스위칭 소자를 턴 오프시키는 만충전 모드를 가지는 아날로그 프론트 엔드; 및 상기 아날로그 프론트 엔드와 전기적으로 연결되어 상기 아날로그 프론트 엔드의 만충전 모드의 만충전 전압을 조절하는 마이크로 프로세서 유닛을 포함하여 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 배터리의 개로전압에 따라 과방전 모드, 만방전 모드, 만충전 모드 및, 과충전 모드를 가지는 주문형 반도체(ASIC)로 형성될 수 있다.
한편, 상기한 기술적과제를 달성하기 위한 상기 배터리 팩의 충전 방법은 재충전 가능한 배터리의 개로전압을 측정하고, 상기 배터리의 사용시간을 측정하는 열화조건 검출단계; 상기 열화조건 검출단계에서 측정된 배터리의 개로전압과 사용 시간을 검출하며, 상기 배터리의 개로전압과 사용 시간 가운데 적어오 하나를 기준으로 하여 상기 배터리의 열화를 판정하고, 상기 배터리의 열화시 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 만충전전압 설정단계; 및 상기 배터리를 상기 만충전 전압까지 충전시키고, 상기 배터리의 충전 전압이 상기 만충전 전압을 초과한 경우에는 상기 배터리의 충전을 중단시키는 배터리 충전 단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 만충전전압 설정단계에서는 상기 배터리의 개로전압이 임계 전압 이하로 떨어진 제 1 열화와, 상기 배터리의 사용 기간이 일정기간을 경과한 제 2 열화의 각각의 경우 마다 상기 배터리의 만충전을 전압을 낮게 설정할 수 있다.
또한, 상기 만충전전압 설정단계에서는 상기 배터리의 사용시간이 10개월 내지 25개월 범위 이내의 일정 기간이 경과하면, 상기 배터리의 만충전 전압을 감소시킬 수 있다. 이 경우, 상기 만충전전압 설정단계에서는 상기 배터리의 열화시 상기 배터리의 만충전 전압을 40mV 내지 60mV로 낮추어 설정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 충전 단계에서는 상기 배터리의 개로전압값이 낮아질 수 있는 한계 전압값이 3.95V 내지 4.05V 사이에서 결정될 수 있다.
또한, 상기 열화조건 검출단계에서는 상기 배터리의 온도를 검출하고, 상기 만충전 전압 설정단계에서는 상기 배터리의 온도가 올라갈수록 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 조절할 수 있다.
또한, 상기 열화조건 검출단계에서는 상기 배터리의 충전 전류량을 적산하여 상기 배터리의 충전율을 계산하고, 상기 만충전 전압 설정단계에서는 상기 배터리의 충전율이 임계값 이상 유지한 채 상기 배터리가 일정 기간 동안 방치되는 제 3 열화의 경우, 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정할 수 있다.
본 발명의 배터리 팩 및 그 충전 방법은 배터리의 수명열화에 따라 배터리의 충전 효율 및 만충전 전압값을 조절하여 안정성이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 배터리 팩 및 그 충전 방법은 복수 개의 배터리들 가운데 적어도 어느 하나의 배터리가 수명 열화를 수반하는 셀 임밸런스(Cell imbalance) 경우에 배터리의 만충전 전압값을 조절하여 배터리 팩의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예들에서는 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 사용하기로 한다. 또한, 동일 또는 유사한 구성요소의 중복되는 설명은 가능한 하지 않기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리(110), 충/방전 스위칭 소자부(120) 및, 배터리 관리 유닛(130)을 포함하여 형성된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 전류 검출 소자(140)를 더 포함하여 형성된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 온도 센서(150)를 더 포함하여 형성된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 충전기 또는 외부 부하와 전기적으로 연결되는 양극 단자(161) 및 음극 단자(162)를 더 포함하여 형성된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 외부와 통신을 하기 위한 제 1 보조단자(171)와 제 2 보자단자(172)를 더 포함하여 형성된다.
상기 배터리(110)는 양극(111)과 음극(112)을 가지는 재충전 가능한 전지이다. 본 실시예의 경우, 배터리(110)는 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지로서, 전극조립체와 전해액을 케이스에 밀폐시킨 형태의 전지이다. 또한, 본 실시예의 경우, 배터리(110)는 복수 개로 도시되었으나, 하나로도 구성될 수 있다.
상기 충/방전 스위칭 소자부(120)는 충전 스위칭 소자(121)와 방전 스위칭 소자(122)를 포함하여 형성된다.
상기 충전 스위칭 소자(121)는 충전 FET(121a) 및 충전 FET용 기생다이오드(121b)를 포함하여 형성된다.
상기 충전 FET(121a)는 드레인과 소오스가 배터리(110)의 대전류 경로(10)상에 설치된다. 또한, 충전 FET(121a)는 게이트가 아날로그 프론트 엔드(131)와 전기적으로 연결되고, 아날로그 프론트 엔드(131)에서 입력되는 제어 신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프된다. 충전 FET(121a)는 양극 단자(161) 및 음극 단자(162)와 접속되는 경우, 턴 온 되어 충전기(미도시)에서 배터리(110)로 충전 전류를 인가시키는 역할을 한다.
상기 충전 FET용 기생다이오드(121b)는 충전 FET(121a)에 전기적으로 병렬 연결된다. 충전 FET용 기생다이오드(121b)는 배터리(110)의 양극(111)에서 음극(112)으로 향하는 전류 방향에 대하여 역방향으로 연결된다. 이 경우, 충전 FET용 기생 다이오드(121b)는 배터리(110)의 충전시 방전 전류 경로를 차단한다. 따라 서, 충전 FET용 기생 다이오드(121b)는 배터리(110)의 충전시 충전 전류만을 통과시키게 되므로, 배터리(110)가 충전과 방전을 동시에 진행되는 현상을 방지하게 되어 배터리(110)의 안전성을 향상시키게 된다.
상기 방전 스위칭 소자(122)는 방전 FET(122a) 및 방전 FET용 기생다이오드(122b)를 포함하여 형성된다.
상기 방전 FET(122a)는 드레인과 소오스가 배터리(110)의 대전류 경로(10)상에 설치된다. 또한, 방전 FET(122a)는 게이트가 아날로그 프론트 엔드(131)와 전기적으로 연결되고, 아날로그 프론트 엔드(131)에서 입력되는 제어 신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프된다. 방전 FET(122a)는 턴 온 되어 양극 단자(161) 및 음극 단자(162)와 접속되는 외부 부하에 배터리(110)의 방전 전류를 인가시키는 역할을 한다.
상기 방전 FET용 기생다이오드(122b)는 방전 FET(122a)에 전기적으로 병렬 연결된다. 방전 FET용 기생다이오드(122b)는 배터리(110)의 양극(111)에서 음극(112)으로 향하는 전류 방향에 대하여 순방향으로 연결된다. 이 경우, 방전 FET용 기생 다이오드(122b)는 배터리(110)의 방전시 충전 전류 경로를 차단한다. 따라서, 방전 FET용 기생 다이오드(122b)는 배터리(110)의 방전시 방전 전류만을 통과시키게 되므로, 배터리(110)가 충전과 방전을 동시에 진행되는 현상을 방지하게 되어 배터리(110)의 안전성을 향상시키게 된다.
상기 배터리 관리 유닛(130)은 아날로그 프론트 엔드(131)와 마이크로 프로세서 유닛(132)을 포함하여 형성된다.
상기 아날로그 프론트 엔드(131)는 배터리(110)의 양극(111)과 음극(112)에 각각 전기적으로 연결된다. 또한, 아날로그 프론트 엔드(131)는 충전 FET(121a)의 게이트와, 방전 FET(122a)의 게이트에 전기적으로 연결된다. 아날로그 프론트 엔드(131)는 배터리(110)의 양극(111)과 음극(112)의 전압차인 개로전압을 검출하여 배터리(110)의 과방전 모드, 만방전 모드, 만충전 모드 및, 과충전 모드를 판단하고, 각각의 모드에 따라 충/방전 스위칭 소자부(120)를 턴 온 또는 턴 오프시킨다. 이 경우, 아날로그 프론트 엔드(131)는 충/방전 스위칭 소자부(120)를 제어하기 위해 전력 제어 회로가 내장된다.
상기 아날로그 프론트 엔드(131)의 과방전 모드(Over discharge mode), 만방전 모드(Full discharge mode), 만충전 모드(Full charge mode) 및, 과충전 모드(Over charge mode)를 설명하면, 과방전 모드는 배터리(110)의 개로전압이 약 1.0V 미만으로 떨어지는 경우에 설정된다. 과방전 모드의 아날로그 프론트 엔드(131)는 자체적으로 전력을 소비하지 않기 위해 전원이 오프되어 배터리(110)의 방전을 중단시킨다. 이 후, 아날로그 프론트 엔드(131)는 양극 단자(161)와 음극 단자(162)에 충전기(미도시)가 접속되는 경우, 충전기에서 입력되는 충전 신호에 의해 만방전 모드로 전환된다. 만방전 모드는 배터리(110)의 개로전압이 약 1.0V 정도로 떨어지는 경우에 설정된다. 만방전 모드의 아날로그 프론트 엔드(131)는 충전 스위칭 소자(121)가 턴 온 되는 상태이다. 또한, 만방전 모드의 아날로그 프론트 엔드(131)는 배터리(110)가 과방전 되기 전에 방전 스위칭 소자(122)를 턴 오프시켜 외부 부하로 전류가 흐르지 않도록 설정된다. 만충전 모드는 배터리(110)의 개로전압이 약 4.3V 정도일 경우에 설정된다. 만충전 모드의 아날로그 프론트 엔드(131)는 배터리(110)가 과충전 되지 않도록 충전 스위칭 소자(121)를 턴 오프시켜 배터리(110)의 과열을 방지하게 된다. 과충전 모드는 배터리(110)의 개로전압이 4.3V를 초과하는 경우에 설정된다. 과충전 모드의 아날로그 프론트 엔드(131)는 충전 스위칭 소자(121)를 턴 오프시켜 배터리(110)의 충전을 중단시킨다.
상기한 아날로그 프론트 엔드(131)는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit; ASIC)로서, 배터리(110)의 개로전압을 즉각적으로 검출하고 충/방전 스위칭 소자부(120)를 구동시키기 위한 전력구동형 회로소자이다. 따라서, 아날로그 프론트 엔드(131)는 각각의 모드에 따라 매우 빠른 응답속도로 충/방전 스위칭 소자부(120)를 턴 온 또는 턴 오프시켜 배터리(110)를 1차적으로 보호하는 역할을 한다.
상기 마이크로 프로세서 유닛(132)은 마이크로 프로세서(미도시)와, 마이크로 프로세서와 전기적으로 연결되는 수동소자(미도시), 능동소자(미도시) 및 메모리(미도시)를 포함하여 형성된다. 마이크로 프로세서 유닛(132)은 아날로그 프론트 엔드(131)와 전기적으로 연결되어 배터리(110)의 개로전압 정보를 입력 받고, 배터리(110)의 개로전압을 검출한다. 또한, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 아날로그 프론트 엔드(131)에 설정되는 과방전, 만방전, 만충전 및, 과충전 모드의 설정 전압을 변경시킬 수 있다. 또한, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 아날로그 프론트 엔드(131)에 제어 신호를 출력하여 충/방전 스위칭 소자부(120)를 턴 온 또는 턴 오프시킬수 있다. 또한, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 충/방전시 흐 르는 전류를 계산한다. 이 경우, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 전류 검출 소자(140)의 양 단과 전기적으로 연결되어 전류 검출 소자(140)의 양 단 전압차를 변화정도를 측정하여 전류를 계산하게 된다. 또한, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 온도를 측정하게 된다. 이 경우, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 온도 센서(150)와 전기적으로 연결되어 배터리(110)의 온도를 검출하게 된다.
여기서, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 내부 알고리즘에 의해 배터리(110)의 열화 상태를 판정하게 된다. 배터리(110)는 사용시간과 사용 환경에 의해 열화가 진행되고, 열화가 진행된 배터리(110)는 출력 전압이나 충전량이 바뀌게 된다. 따라서, 열화가 진행된 배터리(110)는 열화정도에 맞추어 충전 전압을 조정할 필요가 있다. 여기서, 배터리(110)의 충전 전압은 충전기에 의해 설정될 수 있지만, 충전기의 기종에 따라 충전기의 충전 전압이 각기 다르게 설정된다. 따라서, 배터리 팩(100)은 자체적으로 충전 전압을 조정할 필요가 있다. 이를 위해서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리(110)의 열화정도를 판별하여 배터리(110)의 만충전 전압을 낮춤으로서, 배터리(110)의 과열을 방지하게 되므로 배터리 팩(100)의 안전성을 향상시킨다.
상기한 바와 같은 열화 여부를 검출하기 위한 배터리 팩(100)의 마이크로 프로세서 유닛(132)은 제 1 열화 판정, 제 2 열화 판정 및, 제 3 열화 판정를 각각 검출한다.
상기 제 1 열화 판정은 마이크로 프로세서 유닛(132)이 배터리(110)의 개로전압 정보를 입력 받아 배터리(110)의 개로전압을 검출하여 이루어진다. 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 개로전압 상태를 변수로 하여 배터리(110)의 열화를 판정하게 된다. 보다 상세하게 설명하면, 제 1 열화 판정은 마이크로 프로세서 유닛(132)이 배터리(110)의 개로전압 정보를 검출하여 배터리(110)의 개로전압이 임계값 이하로 떨어진 경우, 아날로그 프론트 엔드(131)에 설정되는 만충전 전압을 낮추게 된다. 예를 들어, 배터리(110)의 개로전압이 과방전에 해당하는 0.9V의 임계값으로 떨어진 경우 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)를 제 1 열화 판정 상태로 설정한다. 제 1 열화 판정 상태를 판정한 마이크로 프로세서 유닛(132)은 만충전 모드의 설정 전압을 50mV를 낮추게 된다. 즉, 마이크로 프로세서는 아날로그 프론트 엔드(131)에 설정된 최초 만충전 모드의 설정 전압이 4.3V인 경우, 50mV가 낮추어진 4.25V로 낮추어 설정한다.
상기 제 2 열화 판정은 배터리(110)의 사용시간이 일정기간을 경과한 경우에 진행된다. 제 2 열화 판정을 하기 위하여 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 사용시간을 계산한다. 배터리 사용 시간은 마이크로 프로세서 유닛(132)이 최초 배터리(110)가 사용된 시간을 시작으로 하여 사용 시간을 계산할 수 있다. 또한, 배터리(110)의 사용 시간은 배터리(110)의 충/방전 싸이클을 측정하고, 충/방전 싸이클 횟수에 비례하는 기간을 마이크로 프로세서 유닛(132)에 내장하여 배터리 사용 시간을 계산 할 수 있다. 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리 사용 시간이 일정 기간 지난 경우, 아날로그 프론트 엔트에 설정된 만충전 전압을 낮추게 된다. 즉, 마이크로 프로세서는 아날로그 프론트 엔드(131)에 설정된 최초 만충전 모드의 설정 전압이 4.3V인 경우, 50mV가 낮추어진 4.25V로 낮추어 설정한다.
여기서, 제 2 열화 판정을 위한 배터리(110)의 사용 시간은 10개월 내지 25개월의 기간내에서 설정될 수 있다. 이 경우, 배터리(110)의 사용 시간은 만충전 전압이 너무 낮아져 충전 효율이 낮아지지 않도록 10개월 이상에서 설정되는 것이 바람직 하다. 또한, 배터리(110)의 사용 시간은 만충전 전압이 낮아져 안전성이 하락되지 않도록 25개월을 이내에서 설정되는 것이 바람직하다. 다른 기술적 측면으로는 배터리(110)의 사용 시간을 배터리(110)의 사용환경이나 용도 및, 배터리의 종류에 따라 상기한 기간의 범위내에서 설정하여 배터리(110)의 에너지 효율과 안전성의 상관 관계를 조절한다.
상기 제 3 열화 판정은 배터리(110)의 충전율이 임계값 이상을 유지한 채 배터리(110)가 일정 기간동안 방지되는 경우에 진행된다. 제 3 열화 판정을 하기 위하여 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 충전율을 계산한다. 배터리(110)의 충전율은 최초 배터리(110)의 용량분에 현재 충전량을 백분율로 기록한 값이다. 마이크로 프로세서 유닛(132)이 충전율을 계산하는 동작은 전류가 흐른 시간에 따라 배터리(110)의 대전류 경로에 흐르는 전류량을 적산한 후, 적산된 전류량이 배터리(110)의 용량에 얼마만큼의 비율로 충전되는지를 계산한다. 즉, 충전율은 적산된 배터리(110)의 충전 전류량이 배터리(110)의 전체 용량에 얼마만큼에 해당되는지는 판별하여 백분율로 환산하게 되면 계산된다. 이러한 계산 동작을 하는 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 충전율이 임계값인 90%이상을 유지한 채로 1년 동안 방치되는 경우, 아날로그 프론트 엔드(131)의 만충전 전압을 낮추어 설정하게 된다. 즉, 마이크로 프로세서 유닛(132)는 아날로그 프론트 엔 드(131)에 설정된 최초 만충전 모드의 설정 전압이 4.3V인 경우, 50mV가 낮추어진 4.25V로 낮추어 설정한다.
본 실시예의 경우, 상기 제 1 열화, 상기 제 2 열화 및, 상기 제 3 열화시에는 배터리 관리 유닛(123)이 배터리(110)의 만충전 전압을 50mV 낮추는 것으로 예시하였지만, 상기한 바와 같은 열화 판정시 배터리(110)의 만충전 전압은 40mV 내지 60mV의 범위내에서 그 감소값을 조절할 수 있다. 즉, 열화 판정시에는 배터리(110)의 만충전 전압이 상기 만충전 전압에서 40mV 이상의 값으로 낮아지도록 하여 배터리(110)가 더욱 안정적으로 충전되도록 하고, 배터리(110)의 만충전 전압이 상기 만충전 전압에서 60mV 이하의 값으로 낮아지도록 하여 배터리(110)의 충전 효율을 적절히 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 아날로그 프론트 엔드(131)의 만충전 전압을 낮추는 만충전 전압 한계값이 설정된다. 마이크로 프로세서 유닛(132)은 제 1 열화 판정이 진행된 후, 배터리(110)의 만충전 전압이 50mV 낮추어진 상태에서 제 2 열화 판정이 진행되면, 50mV를 더 낮추어지게 된다. 즉, 최초 배터리(110)의 만충전 전압이 4.3V일 때, 제 1 열화 판정과 제 2 열화 판정이 각각 진행되면, 배터리(110)의 만충전 전압은 4.2V가 된다. 이러한 경우가 계속적으로 진행되면, 배터리(110)는 만충전 전압이 너무 낮아지게 되어 충전이 효율적으로 이루어지지 않게 된다. 따라서, 만충전 전압이 낮아질 수 있는 만충전 한계 전압값은 3.95V 내지 4.05V 사이에서 결정하게 된다. 이 경우, 만충전 한계 전압값은 3.95V 이상을 유지하여 배터리(110)의 충전 효율을 높이고, 4.05V를 초과하지 않도록 하여 배터 리(110)의 안전성을 향상시킨다.
상기 온도 센서(150)는 마이크로 프로세서 유닛(132)과 배터리(110)의 대전류 경로(10) 사이에 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 경우, 온도 센서(150)는 써미스터로 형성되고, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 써미스터의 저항 변화율을 측정하여 배터리(110)의 온도를 검출하게 된다.
여기서, 도 2를 참조하면, 배터리의 온도에 따른 만충전 전압을 기록한 룩업 테이블(look-up table)의 예시도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, , 마이크로 프로세서 유닛(132)은 온도 대비 만충전 전압 값에 해당하는 룩업 테이블이 내장된다. 마이크로 프로세서 유닛(132)은 온도 센서(150)에 입력되는 전기적인 값을 배터리(110)의 온도로 환산하여 배터리(110)의 온도 정보를 입력받는다. 룩업 테이블을 보면, 배터리(110)의 온도가 상온인 40도 정도에서는 만충전 전압을 4.3V로 유지하여 만충전 전압값의 변동이 없도록 하고, 배터리(110)의 온도가 50도 정도에서는 만충전 전압이 약 0.1V 낮추어진 4.2V가 되도록 한다. 즉, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 온도에 따라 만충전 전압값을 조절하여 배터리(110)의 과열을 방지하게 되므로, 배터리(110)의 안전성을 향상시킨다.
상기 전류 검출 소자(140)는 배터리(110)의 대전류 경로(10) 상에 설치된다. 또한, 전류 검출 소자(140)는 양 단이 마이크로 프로세서 유닛(132)과 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 경우, 전류 검출 소자(140)는 센스 레지스터(Sense resister)로 형성된다. 마이크로 프로세서 유닛(132)은 센스 레지스터의 양 단 전압차를 측정하여, 양 단 전압차의 전압 변화율을 계산한다. 여기서, 마이크로 프로 세서 유닛(132)은 센스 레지스터의 기준 전압값이 미리 입력된 상태에서, 센스 레지스터의 양 단 전압차를 측정하게 되므로, 전압 변화율을 전류값으로 변환할 수 있게 된다. 따라서, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 전류값을 계산할 수 있게 되므로, 계산된 전류값들을 계속적으로 적산하여 배터리(110)의 충전율을 계산할 수 있다. 또한, 마이크로 프로세서 유닛(132)은 배터리(110)의 충/방전시 흐르는 전류값을 계산할 수 있으므로, 과전류시 충/방전 스위칭 소자부(120)를 턴 오프시켜 과전류로 인한 배터리(110)의 열화 및 이상동작을 방지하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리(110)의 열화를 판정하여 배터리(110)의 만충전 전압을 감소시킴으로서, 배터리 팩(100)의 안전성을 향상시킨다. 또한, 배터리 팩(100)은 복수 개의 배터리들 가운데 적어도 어느 하나의 배터리(10)에 수명 열화가 일어나는 셀 임밸런스(Cell imbalance)의 경우에도 만충전 전압값이 감소되어 충전되므로, 안정성이 향상된다. 또한, 배터리 팩(100)은 배터리(110)의 온도에 따라 배터리(110)의 만충전 전압을 감소시킴으로서, 배터리 팩(100)의 안정성을 더욱 향상시킨다. 또한, 배터리 팩(100)은 배터리(110)의 충/방전시 흐르는 배터리(110)의 과전류를 검출하여 충/방전 스위칭 소자부(120)를 턴 오프 시킴으로서 배터리 팩(100)의 안정성을 향상시킨다.
다음으로 상기한 배터리 팩(100)의 충전 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법의 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 열화조건 검출단계(S10), 만충전전압 설정단계(S20) 및, 배터리 충전 단계(S20)를 포함하여 형성된다. 이하의 설명에서는 전술한 배터리 팩(100)의 도 1 및 도 2를 더 참조하여 설명하기로 하며, 전술한 배터리 팩(100)의 구성, 기능, 작용 및 수치범위의 임계적 의의에 대하여 중복되는 설명은 하지 않기로 한다.
상기 열화조건 검출단계(S10)는 배터리 관리 유닛(130)이 재충전 가능한 배터리(110)의 개로전압을 측정하고, 배터리(110)의 사용시간을 측정한다.
상기 만충전전압 설정단계(S20)는 배터리 관리 유닛(130)이 상기 열화조건 검출단계(S10)에서 측정된 배터리(110)의 개로전압과 사용 시간을 검출하며, 배터리(110)의 개로전압 상태와 사용 시간을 기준으로 하여 배터리(110)의 열화를 판정하고, 배터리(110)의 열화 판정시 배터리(110)의 만충전 전압을 낮게 설정한다.
상기 만충전전압 설정단계(S20)는 배터리 관리 유닛(130)이 배터리(110)의 열화를 판단하기 위하여 배터리(110)의 개로전압이 임계 전압 이하로 떨어지는 제 1 열화 판정과, 배터리(110)의 사용 시간이 일정 기간을 경과한 제 2 열화 판정을 하게 된다. 만충전전압 설정단계(S20)는 제 1 열화 판정과 제 2 열화 판정 각각의 경우마다 배터리 관리 유닛(130)에 설정되는 만충전 전압을 낮추게 된다. 여기서, 배터리 관리 유닛(130)에 설정되는 만충전 전압값은 제 1 열화 판정 및 제 2 열화 판정의 각각의 경우마다, 현재의 만충전 전압에서 40mV 내지 60mV로 낮추어 설정한다.
또한, 상기 만충전전압 설정단계(S20)에서는 상기 제 2 열화 판정의 경우, 배터리 관리 유닛(130)이 측정한 배터리(110)의 사용시간이 10개월 내지 25개월 범위 내에서 일정 기간이 경과하면, 배터리(110)의 만충전 전압을 감소시킨다.
상기 배터리 충전 단계(S30)는 배터리 팩(100)의 양극 단자(161)와 음극 단자(162)에 충전기(미도시)가 접속되어 이루어 진다. 배터리 충전 단계(S30)는 충전기에서 배터리(110)에 충전 전류를 공급하는 경우 배터리 관리 유닛(130)이 충전 스위칭 소자(121)를 턴 온시켜 배터리(110)를 만충전 전압까지 충전시킨다. 배터리 충전 단계(S30)는 배터리 관리 유닛(130)이 배터리(110)를 만충전 전압을 초과하였을 때, 배터리(110)의 충전을 중단시킨다.
여기서, 상기 배터리 충전 단계(S30)에서는 배터리(110)의 개로전압값이 3.95V 내지 4.05V 사이에서 결정되는 어느 하나의 값인 경우, 배터리(110)의 충전을 중단시킨다.
한편, 상기 열화조건 검출단계(S10)에서는 배터리 관리 유닛(130)이 배터리(110)의 온도를 검출할 수 있다. 이 경우, 만충전 전압 설정단계(S20)에서는 배터리(110)의 온도가 올라갈수록 배터리(110)의 만충전 전압을 낮게 조절한다.
또한, 상기 열화조건 검출단계(S10)에서는 배터리(110)의 충전 전류량을 적산하여 배터리(110)의 충전율을 계산할 수 있다. 이 경우, 만충전 전압 설정단계(S20)에서는 배터리(110)의 충전율이 임계값 이상 유지한 채 배터리(110)가 일정 기간 동안 방치되는 제 3 열화 판정의 경우, 배터리(110)의 만충전 전압을 낮게 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 배터리 팩(100)의 열 화 상태를 설정한 후, 배터리(110)의 충전이 종료되는 시점인 배터리(110)의 만충전 전압을 낮추어 충전함으로서, 배터리 팩(100)의 안정성을 향상시킨다. 또한, 상기 충전 방법은 복수 개의 배터리들 가운데 적어도 어느 하나의 배터리(10)에 수명 열화가 일어나는 셀 임밸런스의 경우에도 배터리(10)의 과열을 방지하게 되므로, 배터리 팩(10)의 안정성을 향상시킨다. 이 경우, 상기 충전 방법은 배터리 팩(100)의 충전 효율을 고려하여 배터리(110)의 만충전 한계값을 적절히 설정할 수 있으므로, 배터리(110)의 사용환경이나 용도에 따라 배터리 팩(100)의 안정성과 효율성의 상관관계를 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 블럭도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩의 마이크로 프로세서 유닛에 내장되는 룩업 테이블(look-up table)의 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법의 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 ; 배터리 120 ; 충/방전 스위칭 소자부
121 ; 충전 스위칭 소자 121a ; 충전 FET
121b ; 충전 FET용 기생다이오드 122 ; 방전 스위칭 소자
122a ; 방전 FET 122b ; 방전 FET용 기생다이오드
130 ; 배터리 관리 유닛 131 ; 아날로그 프론트 엔드
132 ; 마이크로 프로세서 유닛 140 ; 전류 검출 소자
150 ; 온도 센서 161 ; 양극 단자
162 ; 음극 단자

Claims (20)

  1. 양극과 음극을 가지는 재충전 가능한 배터리;
    상기 배터리의 대전류 경로와 전기적으로 연결되는 충전 스위칭 소자와 방전 스위칭 소자를 포함하는 스위칭소자부; 및
    상기 스위칭소자부와 전기적으로 연결되어 상기 충전 스위칭 소자와 방전 스위칭 소자를 제어하고, 상기 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 배터리의 개로 전압 또는 사용 시간을 측정하며, 상기 배터리의 개로 전압과 사용 시간 가운데 적어도 하나를 기준으로 하여 상기 배터리의 열화 여부를 판정하고, 상기 배터리의 열화시 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 배터리 관리 유닛(BMU; Battery Management Unit)을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은
    상기 배터리의 개로 전압이 임계 전압 이하로 떨어지는 제 1 열화의 경우와, 상기 배터리의 사용 기간이 특정기간을 경과한 제 2 열화의 경우 각각에 대하여 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리에 흐르는 전류량을 적산하여 상기 배 터리의 충전율을 더 검출하며,
    상기 배터리의 충전율이 임계값 이상 유지한 채 상기 배터리가 일정 기간 동안 방치되는 제 3 열화의 경우, 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은
    상기 제 2 열화의 경우, 상기 특정기간은 상기 배터리의 사용시간이 10개월 내지 25개월에서 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은
    상기 배터리의 열화시에는 상기 배터리의 만충전 전압을 상기 배터리의 만충전 전압에서 40mV 내지 60mV 낮추는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은
    상기 배터리의 열화시마다 한번씩 상기 배터리의 만충전 전압을 낮추고 상기 배터리의 만충전 전압이 만충전 전압 한계값까지 낮아지는 경우, 상기 배터리의 만충전 전압을 낮추는 것을 중단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 만충전 전압 한계값은 3.95V 내지 4.05V 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛과 전기적으로 연결되는 온도 센서를 더 포함하여 형성되며,
    상기 배터리 관리 유닛은 상기 온도 센서로부터 입력되는 신호로 상기 배터리의 온도를 검출하고, 상기 배터리의 온도가 상온의 특정 임계값부터 올라갈수록 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은 상기 배터리의 만충전 전압 감지시 상기 충전 스위칭 소자를 턴 오프시켜 상기 배터리의 충전을 중단시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 양극과 음극의 대전류 경로상에 설치되는 전류 검출 소자를 더 포함하여 형성되고, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 전류 검출 소자와 전기적으 로 연결되어 상기 배터리의 전류값을 검출하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전류 검출 소자는 센스 레지스터로 형성되고,
    상기 배터리 관리 유닛은 상기 센스 레지스터의 양 단과 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 센스 레지스터의 기준 전압값이 입력된 상태로 상기 센스 레지스터의 양 단 전압차를 측정하여 상기 배터리에서 흐르는 전류량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은
    상기 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 배터리의 개로 전압을 검출하고, 상기 충/방전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되어 상기 충/방전 스위칭 소자를 턴 온 또는 턴 오프시키며, 상기 배터리의 특정 임계 전압값에서 상기 충전 스위칭 소자를 턴 오프시키는 만충전 모드를 가지는 아날로그 프론트 엔드; 및
    상기 아날로그 프론트 엔드와 전기적으로 연결되어 상기 아날로그 프론트 엔드의 만충전 모드의 만충전 전압을 조절하는 마이크로 프로세서 유닛을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 배터리의 개로전압에 따라 과방전 모드, 만방전 모드, 만충전 모드 및, 과충전 모드를 가지는 주문형 반도체(ASIC)로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 재충전 가능한 배터리의 개로전압을 측정하고, 상기 배터리의 사용시간을 측정하는 열화조건 검출단계;
    상기 열화조건 검출단계에서 측정된 배터리의 개로전압 또는 사용 시간을 검출하며, 상기 배터리의 개로전압과 사용 시간 가운데 적어도 하나를 기준으로 하여 상기 배터리의 열화를 판정하고, 상기 배터리의 열화시 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 만충전전압 설정단계; 및
    상기 배터리를 상기 만충전 전압까지 충전시키고, 상기 배터리의 충전 전압이 상기 만충전 전압을 초과한 경우에는 상기 배터리의 충전을 중단시키는 배터리 충전 단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 충전 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 만충전전압 설정단계에서는
    상기 배터리의 개로전압이 임계 전압 이하로 떨어진 제 1 열화와, 상기 배터리의 사용 기간이 특정기간을 경과한 제 2 열화의 각각의 경우 마다 상기 배터리의 만충전을 전압을 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 만충전전압 설정단계에서는 상기 제 2 열화의 경우, 상기 배터리의 사용시간이 10개월 내지 25개월 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 만충전전압 설정단계에서는
    상기 배터리의 열화시 상기 배터리의 만충전 전압을 상기 배터리의 만충전 전압에서 40mV 내지 60mV로 낮추어 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 배터리 충전 단계에서는
    상기 배터리의 개로전압값이 낮아질 수 있는 한계 전압값이 3.95V 내지 4.05V 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 열화조건 검출단계에서는 상기 배터리의 온도를 검출하고,
    상기 만충전 전압 설정단계에서는 상기 배터리의 온도가 올라갈수록 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 열화조건 검출단계에서는
    상기 배터리의 충전 전류량를 적산하여 상기 배터리의 충전율을 계산하고,
    상기 만충전 전압 설정단계에서는 상기 배터리의 충전율이 임계값 이상 유지한 채 상기 배터리가 일정 기간 동안 방치되는 제 3 열화의 경우, 상기 배터리의 만충전 전압을 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
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