KR20200021789A

KR20200021789A - 충전 제어 장치 및 그 방법

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Publication number: KR20200021789A
Application number: KR1020180097582A
Authority: KR
Inventors: 감재우; 어윤필; 윤준호; 고동수; 김효민; 유재식
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-03-02
Also published as: EP3614522A1; US11322965B2; CN110854944A; EP3614522B1; PL3614522T3; US20200067325A1; CN110854944B; KR102623626B1; HUE060483T2

Abstract

충전 제어 장치는, 배터리를 구성하는 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압, 및 상기 배터리와 충전 장치 사이의 충전 전류를 검출하는 배터리 상태 검출부, 및 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 배터리에 대한 과충전 보호 기능을 수행하고, 상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압을 가변하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

충전 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHARGING CONTROL}

실시 예는 배터리 팩의 충전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

2차 전지(secondary cell)는 충전과 방전을 교대로 반복할 수 있는 전지를 말한다. 2차 전지는 화학적(chemical) 에너지를 전기적(electrical) 에너지로 변환시켜 방전할 수 있으며, 역으로 방전된 상태에서 전기 에너지를 충전하면 이를 화학 에너지의 형태로 다시 저장할 수 있다.

2차 전지는 그 충방전 회로와 결합하여 배터리 팩으로 구성되며, 배터리 팩에 구비된 팩 단자를 통해 외부 전원에 의한 충전과 외부 부하로의 방전이 이루어진다.

2차 전지 중 하나인 리튬-이온(Li-ion) 전지로 구성되는 배터리 팩은 통상적으로 정전류(Constant Current, CC)-정전압(Constant Voltage, CV) 방식으로 충전이 진행되며, 안전 사고의 예방을 위해 과충전 보호(Cell Over Voltage Protection, COVP) 기능을 가진다.

한편, 과충전 보호(COVP) 기능은 단순히 셀 전압이 고정된 기준 전압 이상인 경우 작동하도록 설계된다. 이에 따라, 배터리 팩을 구성하는 셀들의 충전 상태(State Of Charge, SOC)가 불균형(Imbalance) 상태인 경우, 과충전되는 셀이 발생할 수 있어 셀 성능 악화를 가속 시키는 요인으로 작용할 수 있다.

실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리 팩을 구성하는 특정 셀이 열화되거나 셀들 간에 SOC가 불균형한 상태에서, 과충전을 차단할 수 있는 충전 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 실시 예에 따른 충전 제어 장치는, 배터리를 구성하는 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압, 및 상기 배터리와 충전 장치 사이의 충전 전류를 검출하는 배터리 상태 검출부, 및 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 배터리에 대한 과충전 보호 기능을 수행하고, 상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압을 가변하는 제어기를 포함할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압의 보정 값을 산출하고, 상기 보정 값을 이용하여 상기 과충전 보호 전압을 보정할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 배터리를 충전 중인 상태에서 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 보정 값을 이용하여 보정된 상기 과충전 보호 전압 이상인 상태가 소정 시간 지속되면 제1모드로 구동하며, 상기 제1모드에서는 상기 보정 값을 이용하여 보정된 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 중 상기 충전 전류가 만충전 판정 조건에 대응하는 만충전 전류 이상이고, 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값보다 작으면, 상기 충전 전류에 대응하여 상기 보정 값을 가변할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 상기 충전 전류가 상기 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값 이상이면, 상기 보정 값을 제1값으로 설정할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 중 상기 충전 전류가 상기 만충전 전류보다 작으면, 상기 보정 값을 상기 제1값보다 큰 제2값으로 설정할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 제1모드가 아닌 제2모드로 구동 중에는 상기 과충전 보호 전압의 초기 설정 값에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 보정 값을 이용하여 보정된 상기 과충전 보호 전압보다 작으면, 상기 제2모드로 구동할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 기 설정된 임계치보다 낮아지면 상기 제1모드를 해제하고, 상기 제2모드로 구동할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 제1모드의 비활성화를 요청하는 제어 신호 또는 제어 입력이 수신되면, 상기 제1모드를 비활성화하고 상기 제2모드로 구동할 수 있다.

상기 충전 제어 장치는, 충방전 스위치부를 더 포함하며, 상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 과충전 보호 전압 이상이면 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하도록 상기 충방전 스위치부를 제어할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 만충전 전압 이상이고, 상기 충전 전류가 만충전 전류 이상이면 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하도록 상기 충방전 스위치부를 제어할 수 있다.

또한, 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 제어 방법은, 배터리를 구성하는 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압, 및 상기 배터리와 충전 장치 사이의 충전 전류를 검출하는 단계, 상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압을 가변하는 단계, 및 상기 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 배터리에 대한 과충전 보호 기능을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 가변하는 단계는, 상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압의 보정 값을 산출하는 단계, 및 상기 보정 값을 이용하여 상기 과충전 보호 전압을 보정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 충전 제어 방법은, 상기 배터리를 충전 중인 상태에서 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 보정 값을 이용하여 보정된 상기 과충전 보호 전압 이상인 상태가 소정 시간 지속되면 제1모드로 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는, 상기 제1모드로 구동 중에는, 상기 보정 값을 이용하여 보정된 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 보정된 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는, 상기 충전 전류가 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값 이상이면, 상기 보정 값을 제1값으로 설정하는 단계, 상기 충전 전류가 만충전 판정 조건에 대응하는 만충전 전류 이상이고, 상기 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값보다 작으면, 상기 충전 전류가 증가할수록 상기 보정 값을 감소시키는 단계, 및 상기 충전 전류가 상기 만충전 전류보다 작으면, 상기 보정 값을 상기 제1값보다 큰 제2값으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 배터리의 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는, 상기 제1모드가 아닌 제2모드로 구동 중에는, 상기 과충전 보호 전압의 초기 설정 값에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 충전 제어 방법은, 상기 제1모드로 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 기 설정된 임계치보다 낮아지면 상기 제1모드를 해제하고, 상기 제2모드로 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리의 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 과충전 보호 전압 이상이면, 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 충전 제어 장치는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 만충전 전압 이상이고, 상기 충전 전류가 만충전 전류 이상이면 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따르면 배터리 팩을 구성하는 특정 셀이 열화되거나 셀들 간에 SOC가 불균형한 상태에서, 과충전이 발생하는 것을 사전에 차단할 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 충전 제어 장치를 도시한 구조도이다.
도 3은 실시 예에 따른 배터리 팩이 완충 제한 모드에서 충전 전류에 따라 충전 종료 전압을 가변하는 일 예를 도시한 것이다.
도 4는 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 제어 방법을 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.

실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 수 있다.

2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.

이하, 필요한 도면들을 참조하여 실시 예에 따른 충전 제어 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 문서에서는 '셀(cell)'은 각각의 2차 전지(secondary cell)를 나타내며, '배터리(battery)'는 적어도 하나의 셀이 직렬 또는 병렬 결합되어 모듈화된 것을 나타내며, '배터리 팩(battery pack)'은 배터리가 케이스 내에 탑재되어 패키징된 것을 나타내며, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 포함할 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 충전 제어 장치를 도시한 구조도이다. 또한, 도 3은 실시 예에 따른 배터리 팩이 완충 제한 모드에서 충전 전류에 따라 충전 종료 전압을 가변하는 일 예를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 팩(10)은 배터리(11) 및 충전 제어 장치(12)를 포함할 수 있다.

배터리(11)는 서로 직렬 또는 병렬 연결되는 적어도 하나의 셀로 구성될 수 있다.

충전 제어 장치(12)는 배터리(11)의 충방전을 제어하기 위한 장치이다. 충전 제어 장치(12)는 배터리 팩(10)의 BMS 내에 구비될 수 있다.

도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 충전 제어 장치(12)는 배터리 상태 검출부(210), 충방전 스위치부(220), 인터페이스(230) 및 제어기(240)를 포함할 수 있다.

배터리 상태 검출부(210)는 배터리(11)의 전압, 전류, 온도 등 배터리의 상태와 관련된 정보들을 지속적으로 검출할 수 있다.

충방전 스위치부(220)는 배터리(11)와 배터리 팩(10)의 팩 단자들(미도시) 사이에 연결되는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 배터리(11)와 외부 장치(부하 또는 충전 장치(20)) 사이의 충방전 전류 흐름을 제어할 수 있다. 즉, 배터리(11)와, 외부 장치 사이를 전기적으로 연결하여 충방전 전류를 허용하거나, 배터리(11)와 외부 장치 사이의 전기적인 연결을 차단하여 충방전 전류를 차단할 수 있다.

인터페이스(230)는 충전 제어 장치(12)와 외부 장치, 예를 들어, 충전 장치(20)와의 인터페이스를 수행할 수 있다.

제어기(240)는 충전 제어 장치(12)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

제어기(240)는 배터리 상태 검출부(210)를 통해 배터리(11)를 구성하는 각 셀의 셀 전압을 검출할 수 있다. 이를 위해, 배터리 상태 검출부(210)는 배터리(11)를 구성하는 각 셀의 양단에 연결되어, 각 셀의 셀 전압을 검출하는 전압 검출 회로를 포함할 수 있다. 또한, 제어기(240)는 배터리 상태 검출부(210)를 통해 배터리(11)와 외부 장치(부하 또는 충전 장치(20)) 사이의 전류 경로(이하, '대전류 경로'라 칭함)를 흐르는 방전 전류 또는 충전 전류를 검출할 수 있다. 이를 위해, 배터리 상태 검출부(210)는 대전류 경로를 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출 회로를 포함할 수 있다.

제어기(240)는 배터리 상태 검출부(210)를 통해 획득되는 배터리 상태 정보(셀 전압, 충전 전류)에 기초하여, 배터리(11)의 충전을 제어할 수 있다. 즉, 제어기(240)는 배터리 상태 정보를 만충전 조건과 비교하고, 배터리(11) 상태가 만충전 조건을 만족하면 충방전 스위치부(220)를 제어하여 충전 장치(20)와 배터리(11) 사이의 전기적인 연결을 차단할 수 있다. 제어기(240)는 배터리(11)를 구성하는 적어도 하나의 셀의 셀 전압이 만충전을 판정하는 기준이 되는 전압(이하, '만충전 전압'이라 명명하여 사용함) 이상이고, 배터리(11)와 충전 장치(20) 사이의 충전 전류가 만충전을 판정하는 기준이 되는 전류(이하, '만충전 전류'라 명명하여 사용함) 이하이면, 배터리(11)의 상태가 만충전 상태를 만족하는 것으로 판단할 수 있다.

제어기(240)는 배터리 상태 검출부(210)를 통해 획득되는 셀 전압에 기초하여, 과충전 보호(Cell Over Voltage Protection, COVP) 기능을 수행할 수 있다. 제어기(240)는 배터리(11)를 구성하는 하나 이상의 셀의 셀 전압이 과충전을 판정하는 기준이 되는 전압(이하, '과충전 보호 전압'이라 명명하여 사용함) 이상이면, 충방전 스위치부(220)를 제어하여 충전 장치(20)와 배터리(11) 사이의 전기적인 연결을 차단할 수 있다.

한편, 과충전 보호 전압은 배터리(11)의 상태에 따라서 가변될 수 있다.

제어기(240)는 배터리(11)가 통상적인 충전 모드(이하, '노멀 모드'로 명명하여 사용함)로 충전 중이면, 기 설정된 과충전 보호 전압을 그대로 사용할 수 있다. 즉, 제어기(240)는 노멀 모드로 충전 중인 상태에서는 과충전 보호 전압을 초기 설정 값 그대로 사용할 수 있다. 여기서, 노멀 모드는 후술하는 완충 제한 모드와 대비되는 모드로서, 충전 전류와 상관 없이 고정된 과충전 보호 전압을 사용하여 과충전 보호 기능을 수행하는 모드이다.

제어기(240)는 완충 제한 모드로 충전 중이면, 배터리(11)의 충전 전류에 기초하여 과충전 보호 전압을 가변할 수 있다. 여기서, 완충 제한 모드는 실시 예에서 제안된 충전 모드로서, 고정된 과충전 보호 전압이 아닌, 충전 전류에 따라서 가변되는 과충전 보호 전압을 이용하여 과충전 보호 기능을 수행하는 모드이다.

제어기(240)는 충전 전류(I_CH)가 흐르고 있는 상태(I_CH > 0)에서 배터리(11)의 셀 전압들 중 최고치(V_CMax)가 아래의 수학식 1을 소정 시간(예를 들어, 30초) 이상 만족할 경우, 완충 제한 모드로 진입할 수 있다.

[수학식 1]

V_CMax = V_COVP - ΔV_COVP

위 수학식 1에서, V_COVP는 노멀 모드에서의 과충전 보호 전(과충전 보호 전압의 초기 설정 값)압이고 충전 전류(I_CH)와 상관 없이 고정된 값이 사용될 수 있다. 또한, ΔV_COVP는 과충전 보호 전압의 보정 값으로서 충전 전류(I_CH)에 따라서 가변될 수 있다.

도 3을 참조하면, 과충전 보호 전압의 보정 값(ΔV_COVP)은 제1구간에서는 아래의 수학식 2를 만족하도록 설정될 수 있다.

[수학식 2]

I_CH = I_CC:ΔV_COVP=V_SET

위 수학식 2에서, I_CC는 고정된 값으로서, 배터리(11)를 정전류(Constant Current, CC) 충전 모드로 충전 시 충전 장치(20)로부터 배터리(11)로 공급되도록 설정된 충전 전류 값일 수 있다. I_CC는 인터페이스(230)를 통해 충전 장치(20)로부터 수신할 수 있다. 또한, 위 수학식 2에서 V_SET는 고정된 값으로서, ΔV_COVP의 최소 값을 제한하는 값일 수 있다. 이러한, V_SET는 배터리(11)의 설계 사양에 따라서 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, V_SET는 10mV일 수 있다.

위 수학식 2를 참조하면, 제1구간은 충전 전류가 I_CC이상인 구간으로써, 배터리(11)가 CC 충전 모드로 충전 중인 상태가 이에 포함될 수 있다.

다시, 도 3을 보면, 과충전 보호 전압의 보정 값(ΔV_COVP)은 제2구간에서는 아래의 수학식 3 또는 수학식 4를 만족하도록 설정될 수 있다.

[수학식 3]

I_cut-off ≤ I_CH < I_CC:ΔV_COVP=G1 ×(I_CH - I_cut-off)+ V_SET

G1 = (V_SET - (V_COVP - V_CH - V_SET))/ (I_CC - I_cut-off)

[수학식 4]

I_cut-off ≤ I_CH < I_CC:ΔV_COVP=(V_COVP - V_CH - V_SET)- (G2 ×(I_CH - I_cut-off))

G2 = ((V_COVP - V_CH - V_SET)- V_SET)/ (I_CC - I_cut-off)

위 수학식 3 및 4에서, G1 및 G2는 제2구간에서의 충전 전류에 따른 보정값(ΔV_COVP)의 변화율(제2구간에서의 보정값(ΔV_COVP)의 기울기)에 대응하며, G1 = -G2를 만족한다. 또한, V_CH는 고정된 값으로서, 배터리(11)를 정전압(Constant Voltage, CV) 충전 모드로 충전 시 충전 장치(20)로부터 배터리(11)로 인가되도록 설정된 충전 전압 값일 수 있다. 즉, 충전 장치(20)가 배터리(11)로 인가할 수 있는 최대 충전 전압 값일 수 있다. V_CH는 인터페이스(230)를 통해 충전 장치(20)로부터 수신할 수 있다.

위 수학식 3을 참조하면, 제2구간은 충전 전류(I_CH)가 만충전 전류(I_cut-off) 이상이고 CC 충전 모드에서의 충전 전류 값인 I_CC보다 작은 구간으로써,배터리(11)가 CV 충전 모드로 충전 중인 구간이 이에 포함될 수 있다.

다시, 도 3을 보면, 과충전 보호 전압의 보정 값(ΔV_COVP)은 제3구간에서는 아래의 수학식 5를 만족하도록 설정될 수 있다.

[수학식 5]

I_CH < I_cut-off:ΔV_COVP=V_COVP - V_CH - V_SET

위 수학식 5를 참조하면, 제3구간은 충전 전류(I_CH)가 만충전 전류(I_cut-off)보다 작은 구간으로써, 만충전 이후가 이에 포함될 수 있다.

한편, 위 수학식 1이 만족되어 완충 제한 모드에 진입한 경우, 제어기(240)는 위 수학식 2 내지 5를 참조하여 산출한 보정 값(ΔV_COVP)을 이용하여 과충전 보호 전압을 제한할 수 있다.

제어기(240)는 완충 제한 모드로 동작하는 경우, 아래의 수학식 6을 이용하여 과충전 보호 전압(V_FCL)을 산출할 수 있다.

[수학식 6]

V_FCL = V_COVP - ΔV_COVP

위 수학식 6을 참조하면, 제어기(240)는 완충 제한 모드에 진입하면, 노멀 모드에서의 과충전 보호 전압(V_COVP)보다 보정 값(ΔV_COVP)만큼 낮아진 값을, 과충전 보호 전압(V_FCL)으로 사용할 수 있다.

한편, 제어기(240)는 외부 장치와의 통신을 통해 수신되는 제어 신호 또는 입력 장치(미도시)를 통해 입력되는 제어 입력에 의해 완충 제한 모드의 비활성화(disable)가 요청되면, 완충 제한 모드를 비활성화(해제) 시키고 노멀 모드로 동작할 수 있다.

또한, 제어기(240)는 배터리(11)의 셀 전압들 중 최고치(V_CMax)가 아래의 수학식 7을 소정 시간(예를 들어, 30초) 이상 만족할 경우, 완충 제한 모드를 비활성화(해제) 시키고 노멀 모드로 동작할 수 있다.

[수학식 7]

V_CMax ≤ V_RST

위 수학식 7에서, V_RST는 고정된 값으로써, 완충 제한 모드를 해제해되 될 정도로 셀들이 안정화 상태에 진입하였음을 판정하기 위한 임계치이다.

전술한 충전 제어 장치(12)에서 제어기(240)의 각 기능은, 하나 이상의 중앙 처리 유닛(central processing unit, CPU)이나 기타 칩셋, 마이크로컨트롤러(Micro Controller Unit, MCU), 마이크로프로세서(microprocessor) 등으로 구현되는 프로세서에 의해 수행될 수 있다.

도 4는 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 제어 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 4의 충전 제어 방법은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 충전 제어 장치에 의해 수행될 수 있다.

도 4를 참조하면 실시 예에 따른 충전 제어 장치(12)는 충전이 개시되면(S100), 배터리 상태 정보에 기초하여 완충 제한 모드에 진입할 것인지를 판단한다(S101).

상기 S101 단계에서, 충전 제어 장치(12)는 충전이 진행 중인 상태(I_CH > 0)에서 배터리(11)의 셀 전압들 중 최고치(V_CMax)가 전술한 수학식 1을 소정 시간(예를 들어, 30초) 이상 만족할 경우, 완충 제한 모드로 진입할 수 있다. 여기서, 충전 제어 장치(12)는 외부로부터 수신되는 제어 신호 또는 제어 입력에 의해 완충 제한 모드의 비활성화가 요청되는 경우, 배터리(11)의 셀 전압이 전술한 수학식 1을 만족하더라도 완충 제한 모드를 비활성화시킬 수 있다.

상기 S101 단계에서, 배터리(11)의 상태가 완충 제한 모드 진입 조건을 만족하지 못할 경우, 충전 제어 장치(12)는 노멀 모드로 구동한다(S102). 노멀 모드로 구동하는 경우, 충전 제어 장치(12)는 과충전 보호 전압을 초기 설정 값으로 그대로 유지하며(S103), 초기 설정 값으로 설정된 과충전 보호 전압에 기초하여 과충전 보호 기능을 수행한다(S104).

반면에, 상기 S101 단계에서, 배터리(11)의 상태가 완충 제한 모드 진입 조건을 만족하는 경우, 충전 제어 장치(12)는 완충 제한 모드로 구동한다(S105). 완충 제한 모드로 구동하는 경우, 충전 제어 장치(12)는 실시간으로 측정되는 충전 전류에 따라서 과충전 보호 전압을 가변하고(S106), 충전 전류에 따라 가변되는 과충전 보호 전압에 기초하여 과충전 보호 기능을 수행한다(S107).

상기 S106 단계에서, 충전 제어 장치(12)는 충전 전류에 따라서 과충전 보호 전압을 보정하기 위한 보정 값(ΔV_COVP)을 산출하고, 이를 과충전 보호 전압의 초기 설정 값(V_COVP)에서 차감하여 과충전 보호 전압을 가변할 수 있다. 도 3을 참조하면, 충전 제어 장치(12)는 충전 전류(I_CH)가 CC 충전 모드에서의 충전 전류 값인 I_CC이상인 제1구간에서는, 전술한 수학식 2에서와 같이 과충전 보호 전압의 보정 값(ΔV_COVP)을 고정된 전압 값인(V_SET)으로 설정할 수 있다. 또한, 충전 제어 장치(12)는 충전 전류(I_CH)가 만충전 전류(I_cut-off) 이상이고 CC 충전 모드에서의 충전 전류 값인 I_CC보다 작은 제2구간에서는, 전술한 수학식 3 또는 4에서와 같이 충전 전류(I_CH)가 증가할수록 그 값이 감소하도록 보정 값(ΔV_COVP)을 설정할 수 있다. 또한, 충전 제어 장치(12)는 충전 전류(I_CH)가 만충전 전류(I_cut-off)보다 작은 제3구간에서는, 전술한 수학식 5에서와 같이 고정된 값(V_COVP - V_CH - V_SET)을 보정 값(ΔV_COVP)으로 설정할 수 있따.

한편, 충전 제어 장치(12)는 완충 제한 모드로 구동 중 완충 제한 모드의 해제 조건이 만족되면(S108), 완충 제한 모드를 해제하고(S109) 노멀 모드로 구동될 수 있다.

상기 S108 단계에서, 충전 제어 장치(12)는 배터리(11)를 구성하는 셀들이 안정화되어, 배터리(11)의 셀 전압들이 전술한 수학식 7을 만족할 경우 완충 제한 모드를 비활성화할 수 있다.

또한, 상기 S108 단계에서, 충전 제어 장치(12)는 완충 제한 모드의 비활성화를 요청하는 제어 신호 또는 제어 입력이 수신되면, 완충 제한 모드를 비활성화할 수도 있다.

전술한 본 발명의 실시 예에 따르면, 배터리(11)를 구성하는 특정 셀이 열화되거나, 셀들 간에 충전 상태(State Of Charge, SOC)가 불균형(Imbalance)한 상태일 경우, 과충전 보호 전압을 충전 전류에 실시간 연동되도록 설정함으로써, 과충전이 발생하는 것을 사전에 차단할 수 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 배터리 팩
11: 배터리
12: 충전 제어 장치
20: 충전 장치
210: 배터리 상태 검출부
220: 충방전 스위치
230: 인터페이스
240: 제어기

Claims

배터리를 구성하는 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압, 및 상기 배터리와 충전 장치 사이의 충전 전류를 검출하는 배터리 상태 검출부, 및
과충전 보호 전압에 기초하여 상기 배터리에 대한 과충전 보호 기능을 수행하고, 상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압을 가변하는 제어기를 포함하는 충전 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압의 보정 값을 산출하고, 상기 보정 값을 이용하여 상기 과충전 보호 전압을 보정하는 충전 제어 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 배터리를 충전 중인 상태에서 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 보정 값을 이용하여 보정된 상기 과충전 보호 전압 이상인 상태가 소정 시간 지속되면 제1모드로 구동하며, 상기 제1모드에서는 상기 보정 값을 이용하여 보정된 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 충전 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 중 상기 충전 전류가 만충전 판정 조건에 대응하는 만충전 전류 이상이고, 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값보다 작으면, 상기 충전 전류에 대응하여 상기 보정 값을 가변하는 충전 제어 장치.
제4항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 상기 충전 전류가 상기 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값 이상이면, 상기 보정 값을 제1값으로 설정하는 충전 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 중 상기 충전 전류가 상기 만충전 전류보다 작으면, 상기 보정 값을 상기 제1값보다 큰 제2값으로 설정하는 충전 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제1모드가 아닌 제2모드로 구동 중에는 상기 과충전 보호 전압의 초기 설정 값에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 충전 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 보정 값을 이용하여 보정된 상기 과충전 보호 전압보다 작으면, 상기 제2모드로 구동하는 충전 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제1모드로 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 기 설정된 임계치보다 낮아지면 상기 제1모드를 해제하고, 상기 제2모드로 구동하는 충전 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제1모드의 비활성화를 요청하는 제어 신호 또는 제어 입력이 수신되면, 상기 제1모드를 비활성화하고 상기 제2모드로 구동하는 충전 제어 장치.
제1항에 있어서,
충방전 스위치부를 더 포함하며,
상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 과충전 보호 전압 이상이면 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하도록 상기 충방전 스위치부를 제어하는 충전 제어 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 만충전 전압 이상이고, 상기 충전 전류가 만충전 전류 이상이면 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하도록 상기 충방전 스위치부를 제어하는 충전 제어 장치.
배터리 팩의 충전 제어 방법에 있어서,
배터리를 구성하는 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압, 및 상기 배터리와 충전 장치 사이의 충전 전류를 검출하는 단계,
상기 충전 전류에 연동하여 과충전 보호 전압을 가변하는 단계, 및
상기 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 배터리에 대한 과충전 보호 기능을 수행하는 단계를 포함하는 충전 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 가변하는 단계는,
상기 충전 전류에 연동하여 상기 과충전 보호 전압의 보정 값을 산출하는 단계, 및
상기 보정 값을 이용하여 상기 과충전 보호 전압을 보정하는 단계를 포함하는 충전 제어 방법.
제14항에 있어서,
상기 배터리를 충전 중인 상태에서 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 보정 값을 이용하여 보정된 상기 과충전 보호 전압 이상인 상태가 소정 시간 지속되면 제1모드로 구동하는 단계를 더 포함하며,
상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는,
상기 제1모드로 구동 중에는, 상기 보정 값을 이용하여 보정된 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계를 포함하는 충전 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 보정된 과충전 보호 전압에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는,
상기 충전 전류가 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값 이상이면, 상기 보정 값을 제1값으로 설정하는 단계,
상기 충전 전류가 만충전 판정 조건에 대응하는 만충전 전류 이상이고, 상기 정전류 충전 모드에서의 충전 전류 설정 값보다 작으면, 상기 충전 전류가 증가할수록 상기 보정 값을 감소시키는 단계, 및
상기 충전 전류가 상기 만충전 전류보다 작으면, 상기 보정 값을 상기 제1값보다 큰 제2값으로 설정하는 단계를 포함하는 충전 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 배터리의 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는,
상기 제1모드가 아닌 제2모드로 구동 중에는, 상기 과충전 보호 전압의 초기 설정 값에 기초하여 상기 과충전 보호 기능을 수행하는 단계를 더 포함하는 충전 제어 방법.
제17항에 있어서,
상기 제1모드로 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 기 설정된 임계치보다 낮아지면 상기 제1모드를 해제하고, 상기 제2모드로 구동하는 단계를 더 포함하는 충전 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 배터리의 과충전 보호 기능을 수행하는 단계는,
상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 상기 과충전 보호 전압 이상이면, 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하는 단계를 포함하는 충전 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 셀 각각의 셀 전압 중 최고치가 만충전 전압 이상이고, 상기 충전 전류가 만충전 전류 이상이면 상기 배터리와 상기 충전 장치 사이의 전기적 연결을 차단하는 단계를 더 포함하는 충전 제어 방법.