KR20160133973A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20160133973A KR1020150067273A KR20150067273A KR20160133973A KR 20160133973 A KR20160133973 A KR 20160133973A KR 1020150067273 A KR1020150067273 A KR 1020150067273A KR 20150067273 A KR20150067273 A KR 20150067273A KR 20160133973 A KR20160133973 A KR 20160133973A
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송수빈
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김정민
드미트리 골로바노프
김지은
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고용량 배터리, 상기 고용량 배터리의 단자 전압을 검출하는 전압 센서, 상기 고용량 배터리에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서, 충전 싸이클이 한 번 수행되는 동안 정전류-정전압 충전이 복수 회 반복되도록 상기 고용량 배터리의 충전을 제어하는 제어부 및 상기 고용량 배터리의 온도를 검출하는 온도 센서를 포함하며, 상기 정전류-정전압 충전은, 상기 고용량 배터리에 소정의 전류 값을 갖는 충전 전류가 공급되는 정전류 충전과, 상기 정전류 충전이 실행되는 동안 상기 전압 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 단자 전압이 소정의 전압 값과 같아진 경우, 상기 전류 센서에 의해 검출된 전류 값이 소정의 임계 전류 값에 도달할 때까지 상기 소정의 전압 값을 갖는 충전 전압이 상기 고용량 배터리에 공급되는 정전압 충전을 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 온도에 대응하는 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 상기 고용량 배터리 공급되도록 제어하는 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
통상적으로 배터리는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 다양하게 그 형태를 변화시켜 사용한다.
소용량의 배터리는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 배터리는 하이브리드 또는 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량을 높일 수 있도록 복수개의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 대용량의 배터리 모듈을 구성한다. 배터리 모듈은 내장된 배터리 셀의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있으며, 이러한 배터리 모듈을 전기적으로 다수 개 연결하여 배터리 팩을 구성할 수 있다.
여기서, 각 배터리 셀은 분리판(separator)의 양면에 양극과 음극을 구비하여 형성되는 전극조립체, 전극조립체를 내장하는 케이스 및 전극조립체에 전기적으로 연결되고 케이스 외부로 연장되는 전극 단자를 포함한다.
배터리 셀은 충, 방전이 반복됨에 따라 성능과 수명이 단축되어 안정적이고 충분한 동력원을 제공할 수 없게 되는 문제점이 있는바, 배터리를 보다 효율적으로 사용하기 위하여 배터리 셀의 성능 및 수명이 단축되는 속도를 늦추기 위한 관심과 연구가 집중되고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 배터리 팩의 열화가 진행되는 속도를 늦춰 배터리 팩의 수명 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.
본 발명은 배터리 팩의 수명 특성은 향상하면서 고속 충전이 가능한 배터리 팩을 제안하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고용량 배터리, 상기 고용량 배터리의 단자 전압을 검출하는 전압 센서, 상기 고용량 배터리에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서, 충전 싸이클이 한 번 수행되는 동안 정전류-정전압 충전이 복수 회 반복되도록 상기 고용량 배터리의 충전을 제어하는 제어부 및 상기 고용량 배터리의 온도를 검출하는 온도 센서;를 포함하며, 상기 정전류-정전압 충전은, 상기 고용량 배터리에 소정의 전류 값을 갖는 충전 전류가 공급되는 정전류 충전과, 상기 정전류 충전이 실행되는 동안 상기 전압 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 단자 전압이 소정의 전압 값과 같아진 경우, 상기 전류 센서에 의해 검출된 전류 값이 소정의 임계 전류 값에 도달할 때까지 상기 소정의 전압 값을 갖는 충전 전압이 상기 고용량 배터리에 공급되는 정전압 충전을 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 온도에 대응하는 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 상기 고용량 배터리 공급되도록 제어하는 배터리 팩을 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고용량 배터리의 온도가 높을수록 상기 고용량 배터리에 유입되는 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 크도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고용량 배터리의 온도가 제1 온도 이상인 경우 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제1 전류 값이 되도록 제어하고, 상기 고용량 배터리의 온도가 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 경우 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제2 전류 값이 되도록 제어하며, 상기 제1 전류 값은 상기 제2 전류 값보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고용량 배터리의 온도가 상기 제2 온도 미만인 경우 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제3 전류 값이 되도록 제어하고, 상기 제3 전류 값은 상기 제2 전류 값보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 온도 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 온도에 따라 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고용량 배터리의 온도가 높을수록 상기 고용량 배터리로 유입되는 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 크도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제어부는, 상기 고용량 배터리의 온도가 제1 온도이상인 경우 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제4 전류 값이 되도록 제어하고, 상기 고용량 배터리의 온도가 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 경우 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제5 전류 값이 되도록 제어하며, 상기 제4 전류 값은 상기 제5 전류 값 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고용량 배터리의 온도가 상기 제2 온도 미만인 경우 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제6 전류 값이 되도록 제어하고, 상기 제6 전류 값은 상기 제5 전류 값 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제안한다.
또한, 상기 제1 온도및 제2 온도에 대한 정보를 포함하며, 상기 제1 온도 이상인 구간, 상기 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 구간, 및 상기 제2 온도 미만인 구간 각각에 적용되는 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값에 대한 정보, 또는 상기 제1 온도 이상인 구간, 상기 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 구간, 및 상기 제2 온도 미만인 구간 각각에 적용되는 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는 프로파일을 저장하는 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제안한다.
또한, 상기 충전 싸이클이 한 번 수행되는 동안 상기 제어부는, 상기 정전류-정전압 충전이 반복될 때마다 상기 소정의 전압 값을 증대시키고, 상기 소정의 전류 값 및 상기 소정의 임계 전류 값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제안한다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩의 열화가 진행되는 속도를 늦춰 배터리 팩의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 한 번의 충전 싸이클 동안 수행되는 다단계 정전류-정전압 충전을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 온도 구간 별 서로 다르게 적용되는 다단계 정전류-정전압 충전의 첫 번째 단계의 충전 전류 값을 시간의 흐름에 따라 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 각각의 온도 구간 별로 충전 싸이클이 반복됨에 따라 배터리가 열화되는 정도를 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리(110), 충전 스위치(120), 방전 스위치(130), 온도 센서(140), 전류 센서(150) 및 MPU(160; Micro Processor Unit)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 이러한 배터리 팩(100)은 팩 단자(P+, P-) 및 통신 단자(C, D)를 통하여 외부 전자 기기(미도시)에 접속될 수 있으며, 여기서 외부 전자 기기는 예를 들면 충전 기능이 있는 휴대폰, 스마트폰, 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 물론, 외부 전자 기기는 전원 공급부(미도시) 자체일 수도 있다.
배터리(110)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있으며, 배터리 셀은 전기에너지의 소모 또는 공급에 따라 충전과 방전이 가능한 이차 전지가 사용될 수 있다.
예를 들어, 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battey), 리튬 이온 전지(lithium battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있으며, 여기서 이차 전지의 종류를 한정하는 것은 아니다. 또한, 도 1에는 비록 하나의 배터리 셀이 도시되어 있으나, 이는 직렬 또는 병렬로 연결된 다수 개일 수도 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리는 전류 밀도 값이 소정의 값 이상인 고용량 배터리일 수 있으며, 예를 들어 전류 밀도가 4.0mA/cm2 인 고용량 배터리일 수 있다.
충전 스위치(120)는 배터리(110)의 양극 단자(B+)와 배터리 팩의 양극 단자(P+) 사이에 설치될 수 있으며, 이는 배터리(110)가 과충전될 경우 MPU(160)의 제어 신호에 의해 턴오프(turn off)됨으로써, 배터리(110)의 과충전을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 충전 스위치(120)는 통상의 모스펫(MOSFET, Metal Oxide Silicon Field Effect Transister) 스위치 또는 릴레이일 수 있으나, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
방전 스위치(130) 역시 배터리(110)의 양극 단자(B+)와 배터리 팩 양극 단자(P+) 사이에 설치될 수 있으며, 이는 배터리(110)가 과방전될 경우 MPU(160)의 제어 신호에 의해 턴오프됨으로써, 배터리(110)의 과방전을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 방전 스위치(130)는 통상의 MOSFET 또는 릴레이일 수 있으나, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 온도 센서(140)는 배터리(110)에 직접 부착되거나 또는 배터리(110)의 주변에 설치되어, 배터리(110) 또는 배터리(110)의 주변 온도를 감지하고, 이를 MPU(160)에 전송한다. 이러한 온도 센서(140)는 예를 들면 써미스터일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전류 센서(150)는 배터리(110)의 음극 단자(B-)와 배터리 팩 음극 단자(P-) 사이에 설치될 수 있으며, 이는 배터리(110)의 충전 전류 및 방전 전류를 감지하고, 이를 MPU(160)에 전송한다. 이러한 전류 센서(150)는 홀 센서, 션트 저항 및 그 등가물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
다음으로, MPU(160)는 전압 센서(161), 스위치 구동부(162), 저장부(164) 및 제어부(166)를 포함하도록 구성될 수 있다. 전압 센서(161)는 배터리(110)에 병렬로 연결되어 배터리(110)의 단자 전압을 센싱하고, 이를 디지털 신호로 변환하여 제어부(166)에 전송하는 기능을 수행할 수 있다.
전류 센서(150)로부터 얻은 전류 값에 대한 정보, 및 온도 센서(140)로부터 얻은 온도 값에 대한 정보 역시 디지털 신호로 변환되어 제어부(166)에 전송될 수 있음은 물론이다.
또한, 스위치 구동부(162)는 제어부(166)의 제어 신호에 의해 충전 스위치(120) 및/또는 방전 스위치(130)를 턴온(turn on) 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.
예를 들어, 제어부(166)는 배터리(110)의 충전량이 만충전량(100%)인 경우, 스위치 구동부(162)로 제어 신호를 전송하여 충전 스위치(120)가 턴 오프되도록 할 수 있다.
또한, 제어부(166)는 전류 센서(150)로부터 얻은 정보에 근거하여 배터리(110)에 과전류가 흐르는 것으로 판단되면, 스위치 구동부(162)로 제어 신호를 전송하여 충전 스위치(120) 또는 방전 스위치(130)가 턴 오프되도록 할 수 있다.
더욱이, 제어부(166)는 전압 센서(161)로부터 얻은 정보에 근거하여 배터리(110)가 과충전 및/또는 과방전되었다고 판단되면, 스위치 구동부(162)에 제어 신호를 전송하여 충전 스위치(120) 또는 방전 스위치(130)가 턴오프되도록 한다.
제어부(166)는 통신 단자(C, D)를 통하여 외부 전자 기기(또는 전원 공급부 자체)에 소정의 전류 값을 요청하는 신호를 전달할 수 있으며, 이에 의해 외부 전자 기기로부터 소정의 전류 값을 갖는 충전 전류가 배터리 팩(100)에 공급되어 정전류 충전이 실행될 수 있다.
제어부(166)는 정전류 충전이 수행되는 동안 전압 센서(161)에 의해 센싱된 배터리 팩(100)의 단자 전압이 소정의 전압 값에 도달하면, 외부 전자 기기(또는 전원 공급부 자체)에 소정의 전압 값을 요청하는 신호를 전달할 수 있으며, 이에 의해 외부 전자 기기로부터 소정의 전압 값을 갖는 충전 전압이 배터리 팩(100)에 공급되어 정전압 충전이 실행될 수 있다.
제어부(166)는 정전압 충전이 시작되면, 전류 센서(150)에 의해 센싱되는 충전 전류 값이 소정의 임계 전류 값이 될 때까지 정전압 충전을 유지한다.
제어부(166)는 한 번의 충전 싸이클이 수행되는 동안 상술한 바와 같은 정전류 충전 및 정전압 충전이 번갈아 복수 회 반복되도록 하는, 다단계 정전류-정전압 충전이 실행되도록 할 수 있다. 다단계 정전류-정전압 충전에 대하여는 아래에서 도 2를 참조로 하여 구체적으로 설명하기로 한다.
한편, 본 명세서에서는 충전 전류가 유입되어 충전이 시작되면 충전 싸이클이 개시된 것으로 보며, 배터리(110)가 만충전되어 충전 스위치(120)가 턴오프되면 상기 충전 싸이클이 종료된 것으로 볼 수 있다.
저장부(164)는 다단계 정전류-정전압 충전에 있어서, 각각의 정전류 또는 정전압 충전에 적용되는 소정의 전류 값 Is, 소정의 전압 값 Vth 및 소정의 임계 전류 값 Ith에 관한 데이터를 포함하는 프로파일(profile)을 저장할 수 있다. 가령, 한 번의 충전 싸이클이 수행되는 동안 정전류-정전압 충전이 세 번 반복되도록 배터리(110)의 충전이 제어되는 경우, 프로파일에 포함된 데이터는 아래의 <표 1>과 같을 수 있다.
단계 소정의 전류 값 Is 소정의 전압 값 Vth 소정의 임계 전류 값 Ith
1 I3 V1 I2
2 I2 V2 I1
3 I1 V3 I0
상기의 <표 1>에 있어서, 소정의 전류 값 Is의 관계는 I3>I2>I1>I0 이고, 단자 전압 Vb의 관계는 V3>V2>V1 일 수 있다. 이때, V3은 배터리(110)의 만충전 전압이고, I0은 배터리의 만충전을 판정하기 위한 판정 전류 값일 수 있다.
즉, 정전류-정전압 충전이 반복될수록 충전 전류 값 Ic는 점차적으로 작아지며, 단자 전압 Vb는 점점 커지게 된다. 이 경우에, 정전압 충전에서의 임계 전류 값 Ith는 그 다음에 반복되는 정전류 충전의 전류 값 Is로 이용될 수 있다.
한편, 온도 센서(140)에 의해 측정된 배터리(110)의 온도 값에 따라 서로 다른 프로파일을 적용하기 위하여, 저장부(164)에는 복수의 프로파일이 저장될 수 있다.
제어부(166)는 저장부(164)로부터 복수의 프로파일 중 온도 센서(140)에 의해 측정된 배터리(110)의 온도 값에 대응되는 프로파일을 획득한 후, 이를 참조로 하여 다단계 정전류-정전압 충전이 실행되게끔 할 수 있다.
저장부(164)는 롬(ROM), 이이피롬(EEPROM), 플래시 메모리(Flash Memory) 및 이의 등가 메모리 소자 중 어느 하나일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 한 번의 충전 싸이클 동안 수행되는 다단계 정전류-정전압 충전을 설명하기 위한 도면이다.
상기 <표 1>을 참조로 하여 다단계 정전류-정전압 충전이 수행된다고 할 때, 먼저 새 충전 싸이클이 개시되면 정전류 값 Is가 I3, 정전압 값 Vth가 V1, 임계 전류 값 Ith가 I2로 설정된다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, I3의 정전류 값을 갖는 충전 전류가 배터리 팩(100)으로 유입되는 제1 정전류 충전이 시작된다(도 2의 CC1 구간). I3의 값을 갖는 충전 전류에 의해 배터리(110)가 충전됨에 따라 단자 전압 Vb가 상승하며, 제1 정전류 충전이 진행되는 중에 단자 전압 Vb가 정전압 충전 개시 값인 정전압 값 Vth, 즉 V1에 도달하게 되면, 단자 전압 Vb가 V1 값을 유지하도록 충전되는 제1 정전압 충전이 시작된다(도 2의 CV1 구간).
제1 정전압 충전이 진행됨에 있어서, 배터리(110)가 V1의 전압 값을 갖는 충전 전압에 의해 충전됨에 따라, 전류 센서(150)에서 센싱되는 충전 전류 값은 점차적으로 감소하게 되며, 충전 전류 값이 임계 전류 값 I2가 될 때까지 제1 정전압 충전이 계속된다.
다음으로, 제1 정전압 충전이 수행되는 중에 충전 전류 값이 임계 전류 값 I2에 도달하게 되면, 정전류 값 Is가 I2, 정전압 값 Vth가 V2, 임계 전류 값 Ith가 I1로 설정되고, 다시 정전압-정전류 충전이 반복된다(도 2의 CC2 및 CV2 구간). 즉, I2의 전류 값을 갖는 충전 전류가 배터리 팩(100)으로 유입되는 제2 정전류 충전이 수행된다(도 2의 CC2 구간).
다음으로, 제2 정전류 충전에 의하여 단자 전압 Vb가 V2에 도달하게 되면 충전 전류 값이 I1이 될 때까지 V2의 충전 전압이 배터리 팩(100)으로 유입되는 제2 정전압 충전이 수행된다.
마지막으로, 제2 정전압 충전이 수행되는 중에 충전 전류 값이 임계 전류 값 I1에 도달하게 되면, 정전류 값 Is가 I1, 정전압 값 Vth가 V3, 임계 전류 값 Ith가 I0로 설정되고, 마지막 단계의 정전압-정전류 충전이 수행된다(도 2의 CC3 및 CV3 구간).
한편, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 한 번의 충전 싸이클이 진행되는 동안 세 단계의 정전류-정전압 충전이 반복 수행되는 것으로 상정하였으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 한 번의 충전 싸이클이 수행됨에 있어서, 다단계 정전류-정전압 충전이 실행되도록 하여 배터리를 만충전시킬 수 있다.
일반적으로 충전 싸이클이 반복될수록 배터리의 열화가 진행되는 바, 배터리의 수명을 길게 하기 위하여는 배터리의 열화가 진행되는 속도를 늦출 필요가 있다.
이 경우, 배터리 특성에 따라 적절한 정전류-정전압 충전이 수행되도록 하여 배터리의 열화가 진행되는 속도를 늦출 수 있으며, 특히 배터리 특성에 큰 영향을 미치는 온도에 따라 서로 다른 정전류-정전압 충전이 수행되도록 함으로써 배터리의 열화가 진행되는 속도를 늦출 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 동작에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 온도 구간 별 서로 다르게 적용되는 다단계 정전류-정전압 충전의 첫 번째 단계의 충전 전류 값을 시간의 흐름에 따라 개략적으로 나타낸 도면이다.
상술한 바와 같이, 배터리(110)의 온도에 따라 서로 다른 프로파일이 적용된 다단계 정전류-정전압 충전이 수행될 수 있도록, 본 발명에 따른 저장부(164)에는 복수의 프로파일이 저장될 수 있다.
구체적으로, 배터리(110)의 온도가 제1 온도 구간에 포함되는 경우에는 제1 프로파일이 적용되고, 배터리(110)의 온도가 제2 온도 구간에 포함되는 경우에는 제2 프로파일이 적용되며, 배터리(110)의 온도가 제3 온도 구간에 포함되는 경우에는 제3 프로파일이 적용되도록 제1 내지 제3 프로파일이 저장부(164)에 저장될 수 있다.
이때, 제1 온도 구간, 제2 온도 구간 및 제3 온도 구간은 각각 고온, 상온, 저온일 수 있다. 구체적으로, 제1 온도(t1) 이상의 구간은 제1 온도 구간, 제2 온도(t2) 이상 제1 온도(t1) 미만의 구간은 제2 온도 구간, 제2 온도(t2) 미만의 구간은 제3 온도 구간일 수 있으며, 예를 들어, 45℃ 이상의 구간은 제1 온도 구간, 10℃ 이상 45℃ 미만의 구간은 제2 온도 구간, 10℃ 미만의 구간은 제3 온도 구간일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3에서 실선은 배터리(110)의 온도가 제1 온도 구간에 포함될 때 적용되는 제1 프로파일 중 첫 번째 정전류-정전압 단계에 대한 전류 값을 그래프의 형태로 나타낸 것이며, 점선은 배터리(110)의 온도가 제2 온도 구간에 포함될 때 적용되는 제2 프로파일 중 첫 번째 정전류-정전압 단계에 대한 전류 값을 그래프의 형태로 나타낸 것이다. 마지막으로, 일점 쇄선은 배터리(110)의 온도가 제3 온도 구간에 포함될 때 적용되는 제3 프로파일 중 첫 번째 정전류-정전압 단계에 대한 전류 값을 그래프의 형태로 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 배터리(110)의 온도가 어느 구간에 포함되는지 여부에 따라 첫 번째 정전류-정전압 단계의 정전류 값 Is 가 서로 달라질 수 있다. 특히, 온도가 높을수록, 값이 큰 첫 번째 정전류-정전압 단계의 정전류 값 Is가 적용될 수 있다.
즉, 배터리(110)의 온도가 제1 온도 구간일 때 유입되는 첫 번째 정전류-정전압 단계의 정전류 값이 Ica1, 배터리(110)의 온도가 제2 온도 구간일 때 유입되는 첫 번째 정전류-정전압 단계의 정전류 값이 Icb1, 배터리(110)의 온도가 제3 온도 구간일 때 유입되는 첫 번째 정전류-정전압 단계의 정전류 값이 Icc1이라 할 때, Ica1, Icb1 및 Icc1의 관계는 Ica1 > Icb1 > Icc1일 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각의 온도 구간 별로 충전 싸이클이 반복됨에 따라 배터리가 열화되는 정도를 나타내는 도면이다.
도 4는 고용량 배터리의 온도가 저온 상태를 유지하도록 한 후, 고용량 배터리에 대하여 다단계 정전류-정전압 충전을 반복했을 때(실험예 1)와 고용량 배터리의 온도가 상온 상태를 유지하도록 한 후, 고용량 배터리에 대하여 다단계 정전류-정전압 충전을 반복했을 때(실험예 2), 충전 싸이클이 반복됨에 따라 고용량 배터리가 열화되는 정도를 나타내는 도면이다.
도 4의 실선은 실험예 1에 대응하는 것이며, 일점 쇄선은 실험예 2에 대응하는 것이다. 이때, 실험예 1과 실험예 2는 배터리의 온도가 각각 저온 및 상온인 것을 제외하고 나머지 조건, 즉 배터리의 종류, 각 정전류-정전압 충전 단계 별 정전류 값, 정전압 값, 임계 전류 값 등의 조건은 동일하다.
도 4를 참조로 하면, 서로 다른 온도 환경에 놓인 고용량 배터리에 대하여 동일한 다단계 정전류-정전압 충전 방식이 적용되는 경우, 고용량 배터리가 상온인 경우에 비하여 저온인 경우에 더 빠른 속도로 열화됨을 알 수 있다. 즉, 고용량 배터리를 충전함에 있어서 고용량 배터리의 온도에 상관없이 배터리의 수명 특성을 높게 유지하기 위하여는 온도에 따라 다른 충전 방식을 적용할 필요가 있다.
다음으로, 도 5는 고용량 배터리의 온도가 상온 상태를 유지하도록 한 후, 고용량 배터리에 대하여 다단계 정전류-정전압 충전을 반복했을 때(실험예 3)와 고용량 배터리의 온도가 고온 상태를 유지하도록 한 후, 고용량 배터리에 대하여 다단계 정전류-정전압 충전을 반복했을 때(실험예 4), 충전 싸이클이 반복됨에 따라 고용량 배터리가 열화되는 정도를 나타내는 도면이다.
도 5의 실선은 실험예 3에 대응하는 것이며, 일점 쇄선은 실험예 4에 대응하는 것이다. 이때, 실험예 3과 실험예 4는 배터리의 온도가 각각 상온 및 고온인 것을 제외하고 나머지 조건, 즉 배터리의 종류, 각 정전류-정전압 충전 단계 별 정전류 값, 정전압 값, 임계 전류 값 등의 조건은 동일하다.
도 5를 참조로 하면, 서로 다른 온도 환경에 놓인 고용량 배터리에 대하여 동일한 다단계 정전류-정전압 충전 방식이 적용되는 경우, 누적된 충전 싸이클의 횟수가 약 300회 이상이 된 이후부터 배터리의 열화도가 서로 상이해짐을 알 수 있다.
특히, 고용량 배터리가 고온인 경우에 비하여 상온인 경우에 더 빠른 속도로 열화됨을 알 수 있다. 즉, 고용량 배터리를 충전함에 있어서 고용량 배터리의 온도에 상관없이 배터리의 수명 특성을 높게 유지하기 위하여는 온도에 따라 다른 충전 방식을 적용할 필요가 있다.
배터리(110)의 용량이 고용량인 경우 저온보다는 상온, 상온보다는 고온에서 그 성능이 높아지므로, 고온일 때 높은 정전류 값을 충전 전류로서 인가하는 경우 충전 시간이 단축되며 따라서 고속 충전이 가능하다. 이 경우, 고용량 배터리는 고온에서 성능이 높으므로, 높은 전류를 인가하여 충전하더라도 배터리의 열화에 큰 영향을 미치지 않는다.
반면에, 고용량 배터리는 고온에 비하여 저온에서 성능이 낮으므로, 고용량 배터리의 온도가 저온일 때, 고온일 때와 유사하게 높은 정전류 값을 충전 전류로서 인가하게 되면 배터리의 열화가 빠르게 진행될 수 있다. 따라서, 배터리의 온도가 고온일 때 적용되는 정전류 값보다 작은 정전류 값을 인가함으로써 배터리의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 제어 동작에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이 배터리(110)의 온도가 높을수록 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 크도록 충전될 뿐만 아니라, 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값도 온도에 따라 다르도록 충전될 수 있다.
즉, 배터리(110)의 온도가 높을수록 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 클 수 있다. 구체적으로, 배터리(110)의 온도가 제1 온도 구간일 때 유입되는 마지막 단계의 정전류- 정전압 충전의 정전류 값이 Ican, 배터리(110)의 온도가 제2 온도 구간일 때 유입되는 마지막 단계의 정전류- 정전압 충전의 정전류 값이 Icbn, 배터리(110)의 온도가 제3 온도 구간일 때 유입되는 마지막 단계의 정전류- 정전압 충전의 정전류 값이 Iccn이라 할 때, Ican, Icbn 및 Iccn의 관계는 Iccn ≤ Icbn ≤ Ican일 수 있다(n은 2 이상의 자연수).
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 프로파일은 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값으로서 Ica1, 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값으로서 Ican에 대한 정보를 포함하고, 제2 프로파일은 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값으로서 Icb1, 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값으로서 Icbn에 대한 정보를 포함할 수 있다. 마지막으로, 제3 프로파일은 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값으로서 Icc1, 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값으로서 Iccn에 대한 정보를 포함할 수 있다.
제어부(166)는 온도 센서(140)로부터 획득한 배터리(110)의 온도에 따라 제1 내지 제3 프로파일 중 어느 하나를 저장부(164)로부터 획득하고, 이를 참조로 하여 배터리(110)에 대한 다단계 정전류-정전압 충전을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 배터리 팩 110: 배터리
120: 충전 스위치 130: 방전 스위치
140: 온도 센서 150: 전류 센서
160: MPU(Micro Processor Unit)
161: 전압 센서 162; 스위치 구동부
164: 저장부 166: 제어부

Claims (10)

  1. 고용량 배터리;
    상기 고용량 배터리의 단자 전압을 검출하는 전압 센서;
    상기 고용량 배터리에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서;
    충전 싸이클이 한 번 수행되는 동안 정전류-정전압 충전이 복수 회 반복되도록 상기 고용량 배터리의 충전을 제어하는 제어부; 및
    상기 고용량 배터리의 온도를 검출하는 온도 센서;를 포함하며,
    상기 정전류-정전압 충전은,
    상기 고용량 배터리에 소정의 전류 값을 갖는 충전 전류가 공급되는 정전류 충전과,
    상기 정전류 충전이 실행되는 동안 상기 전압 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 단자 전압이 소정의 전압 값과 같아진 경우, 상기 전류 센서에 의해 검출된 전류 값이 소정의 임계 전류 값에 도달할 때까지 상기 소정의 전압 값을 갖는 충전 전압이 상기 고용량 배터리에 공급되는 정전압 충전을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 온도에 대응하는 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 상기 고용량 배터리 공급되도록 제어하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고용량 배터리의 온도가 높을수록 상기 고용량 배터리에 유입되는 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 크도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고용량 배터리의 온도가 제1 온도 이상인 경우 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제1 전류 값이 되도록 제어하고,
    상기 고용량 배터리의 온도가 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 경우 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제2 전류 값이 되도록 제어하며,
    상기 제1 전류 값은 상기 제2 전류 값보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고용량 배터리의 온도가 상기 제2 온도 미만인 경우 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제3 전류 값이 되도록 제어하고,
    상기 제3 전류 값은 상기 제2 전류 값보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 온도 센서에 의하여 검출된 상기 고용량 배터리의 온도에 따라 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고용량 배터리의 온도가 높을수록 상기 고용량 배터리로 유입되는 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 크도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고용량 배터리의 온도가 제1 온도 이상인 경우 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제4 전류 값이 되도록 제어하고,
    상기 고용량 배터리의 온도가 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 경우 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제5 전류 값이 되도록 제어하며,
    상기 제4 전류 값은 상기 제5 전류 값 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고용량 배터리의 온도가 상기 제2 온도 미만인 경우 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값이 제6 전류 값이 되도록 제어하고,
    상기 제6 전류 값은 상기 제5 전류 값 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 온도 및 제2 온도에 대한 정보를 포함하며,
    상기 제1 온도 이상인 구간, 상기 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 구간, 및 상기 제2 온도 미만인 구간 각각에 적용되는 상기 첫 번째 정전류-정전압 충전의 정전류 값에 대한 정보, 또는 상기 제1 온도 이상인 구간, 상기 제2 온도 이상이며 상기 제1 온도 미만인 구간, 및 상기 제2 온도 미만인 구간 각각에 적용되는 상기 마지막 정전류-정전압 충전의 정전류 값에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는 프로파일을 저장하는 저장부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 충전 싸이클이 한 번 수행되는 동안 상기 제어부는,
    상기 정전류-정전압 충전이 반복될 때마다 상기 소정의 전압 값을 증대시키고, 상기 소정의 전류 값 및 상기 소정의 임계 전류 값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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