KR101776517B1 - Method and system for charging battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 배터리 충전 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여, 배터리 충전 시 배터리 전압이 최대 전압에 도달하여 충전전류의 공급을 차단한 이후 소정 시간 경과하면 다시 배터리를 추가 충전함으로써 배터리 셀에 충전 용량을 증대 시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a battery charging method and system, and more particularly, to a battery charging method and system, and more particularly, to a battery charging method and system, And more particularly, to a battery charging method and system capable of increasing a charging capacity in a battery cell by additionally charging a battery again after a predetermined time elapses after shutting off.
일반적으로, 배터리(또는 배터리 모듈)은 상호 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리에서 각 배터리 셀은 제조 공정 상의 편차나 적용 환경의 차이 등 다양한 이유로 인해, 사용 중 그 열화도가 다르게 나타날 수 있다.Generally, a battery (or battery module) may include a plurality of battery cells connected in series. In such a battery, each battery cell may exhibit different degrees of deterioration during use due to various reasons such as a variation in the manufacturing process and a difference in application environment.
열화도가 높은 배터리 셀은 내부 임피던스가 증가하고 그에 따른 분극 전압이 높아진다. 분극 전압은 내부 임피던스에 전류가 흐르는 경우 발생하는 전압으로, 내부 임피던스가 높거나 흐르는 전류가 클수록 크게 나타난다.A battery cell having a high degree of deterioration has an increased internal impedance and accordingly a higher polarization voltage. The polarization voltage is a voltage generated when a current flows in the internal impedance. The larger the internal impedance or the larger the current flowing, the larger the polarization voltage.
복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 충전하는 경우, 배터리 전체를 대상으로 충전전류가 공급되므로 열화도가 다른 배터리 셀은 분극전압의 차이로 인해 각각의 단자에서 검출되는 전압이 다르게 나타난다. 열화도가 높은 배터리 셀은 내부 임피던스가 크기 때문에 열화도가 낮은 배터리 셀에 비해 분극 전압이 높으며, 이러한 높은 분극 전압으로 인해 그 단자 전압도 상대적으로 높게 나타난다.In the case of charging a battery including a plurality of battery cells, since the charging current is supplied to the entire battery, voltages detected at the respective terminals are different in battery cells having different degrees of deterioration due to the difference in polarization voltage. A battery cell having a high degree of deterioration has a high internal impedance, so that a polarization voltage is higher than that of a battery cell having a low degree of deterioration, and the terminal voltage is also relatively high due to such a high polarization voltage.
배터리 충전을 제어하는 컨트롤러는 각 배터리 셀의 단자 전압을 검출한 결과에 따라 배터리 충전 중단을 결정하는데, 열화도가 높은 배터리 셀은 열화도가 낮은 배터리 셀에 비해 사전 설정된 최대 충전 전압에 먼저 도달하게 되고, 이에 따라 열화도가 낮은 배터리 셀은 여전히 충전할 수 있는 잔여 충전 용량을 가짐에도 불구하고 충전이 중단되는 문제가 발생한다. 전체 배터리의 입장에서도 더 많은 에너지를 저장할 수 있음에도 불구하고 충전이 중단되어, 전체 배터리의 용량이 감소되는 문제가 발생한다.The controller for controlling the charging of the battery determines the termination of the charging of the battery according to the result of detecting the terminal voltage of each battery cell. The battery cell having a high degree of deterioration first reaches the predetermined maximum charging voltage Accordingly, the battery cell having a low degree of deterioration has a problem that charging is stopped even though the battery cell still has a remaining charging capacity for charging. Even though the whole battery can store more energy, the charging is stopped and the capacity of the entire battery is reduced.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.
이에 본 발명은, 배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여, 배터리 충전 시 가장 큰 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전전류의 공급을 차단한 이후 다시 배터리를 추가 충전함으로써 배터리 셀에 충전 용량을 증대 시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.In view of the fact that the polarization voltage is increased due to an increase in internal impedance due to deterioration of the battery, the present invention prevents the supply of the charging current based on the battery cell having the largest voltage detection value at the time of charging the battery, And a battery charging method and system capable of increasing the charging capacity of the battery cell by charging the battery.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,According to an aspect of the present invention,
배터리로 충전전류를 공급하는 단계;Supplying a charging current to the battery;
상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하는 단계;Blocking the supply of the charging current when the voltage detection value of the battery reaches a predetermined charging end voltage;
상기 충전전류의 공급을 차단하고 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 단계;When the voltage detection value of the battery decreases below a predetermined threshold voltage before the supply of the charging current is stopped and the predetermined reference time elapses, Supplying a current to further charge the battery;
를 포함하는 배터리 충전 방법을 제공한다.And a battery charging method.
본 발명의 일 실시형태에는, 상기 추가 충전하는 단계 이후 상기 기준 시간이 경과한 후, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the voltage detection value of the battery is greater than the threshold voltage after the elapse of the reference time after the additional charging step, final charging of the battery may be terminated.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추가 충전하는 단계는, 상기 배터리를 관리하는 컨트롤러가 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 배터리의 전압을 검출하고 상기 배터리의 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the additional charging may include: a controller for managing the battery wakes up at a predetermined time interval to detect the voltage of the battery and to compare the voltage detection value of the battery with the threshold voltage have.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전압 검출값은 상기 배터리를 구성하는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the voltage detection value may be a voltage detection value detected in a battery cell having a maximum voltage among a plurality of mutually serially connected battery cells constituting the battery.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추가 충전하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류는 상기 공급하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류보다 작은 값을 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the charging current supplied to the battery in the additional charging step may have a value smaller than a charging current supplied to the battery in the supplying step.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,According to an aspect of the present invention,
배터리의 전압을 검출하는 전압 센서;A voltage sensor for detecting a voltage of the battery;
상기 배터리로 충전전류를 공급하는 충전기; 및A charger for supplying a charging current to the battery; And
상기 충전기를 제어하여 상기 충전전류를 조정하는 컨트롤러;를 포함하며,And a controller for controlling the charging unit to adjust the charging current,
상기 배터리의 충전 시, 상기 컨트롤러는 상기 전압 센서에서 검출된 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하고, 그 후 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우 상기 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템을 제공한다.The controller stops supply of the charging current when the voltage detection value detected by the voltage sensor reaches a predetermined charging end voltage, and then, before the predetermined reference time elapses, The charging current is supplied to the battery charging system until the voltage detection value reaches the charging end voltage.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리를 추가 충전한 이후, 상기 기준 시간이 경과한 후의 상기 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료할 수 있다.In one embodiment of the present invention, after the battery is further charged, the controller may finally end the charging of the battery if the voltage detection value after the elapse of the reference time is greater than the threshold voltage.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the controller may wake up at predetermined time intervals to compare the voltage detection value with the threshold voltage.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는 상기 웨이크업하는 회수에 기반하여 상기 기준 시간을 판단할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller can determine the reference time based on the number of times the wakeup is performed.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하며, 상기 전압 센서는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 검출하는 복수개로 구현되며, 상기 전압 검출값은 상기 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the battery includes a plurality of battery cells connected in series, and the voltage sensor is implemented in a plurality of detecting voltages of each of the plurality of battery cells, And may be a voltage detection value detected in a battery cell having a maximum voltage among battery cells.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리를 추가 충전할 때 상기 배터리로 공급되는 충전전류가 그 직전에 배터리로 공급된 충전전류보다 작은 값을 갖도록 조정할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the controller may adjust the charging current supplied to the battery when the battery is further charged to have a value smaller than a charging current supplied to the battery immediately before the charging.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 배터리 충전 방법 및 시스템에 따르면, 배터리에 포함된 열화 배터리 셀이 분극전압에 의해 충분히 충전되지 못하는 경우, 우선적인 충전 종료 후 배터리 셀의 안정화 과정을 거쳐 추가적인 충전이 이루어지게 함으로써 열화 배터리 셀에 충전되는 전기 에너지를 극대화할 수 있다.According to the method and system for charging a battery having the above-described means for solving the above-mentioned problems, when the deteriorated battery cell included in the battery can not be sufficiently charged by the polarization voltage, after the priority charging is completed, The electric energy to be charged in the deteriorated battery cell can be maximized.
이에 따라, 상기 배터리 충전 방법 및 시스템은 사용 기간이 오래된 배터리의 경우에도 충전 용량을 최대화하여 차량의 연비 저하를 방지할 수 있다.Accordingly, the battery charging method and system can maximize the charging capacity even in the case of an old battery, thereby preventing the fuel consumption of the vehicle from deteriorating.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 배터리에 포함된 배터리 셀의 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 열화도가 낮은 배터리 셀과 열화도가 높은 배터리 셀의 충전 중 단자 전압 변화 및 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 의한 배터리 셀의 전압 변화를 비교 도시한 도면이다.1 is a block diagram showing a battery charging system according to an embodiment of the present invention.
2 is an equivalent circuit diagram of a battery cell included in a battery.
3 is a flowchart showing a battery charging method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a comparison between a terminal voltage change during charging of a battery cell having a low degree of deterioration and a battery cell having a high degree of deterioration, and a voltage variation of the battery cell according to a battery charging method according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 충전 방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a battery charging method and system according to various embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram showing a battery charging system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템은 복수의 배터리 셀(11)을 포함하는 배터리(10)와, 복수의 배터리 셀(11) 각각의 전압을 검출하는 복수의 전압센서(12)와, 배터리(10)로 충전전류(i)를 제공하는 충전기(30) 및 충전기(30)를 제어하여 충전기(30)로부터 배터리(10)로 제공되는 충전전류(i)를 조정하는 컨트롤러(20)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a battery charging system according to an embodiment of the present invention includes a
배터리(10)는 통상 배터리 모듈이라고도 하며, 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)을 포함할 수 있다. 충전기(30)에서 제공되는 충전전류(i)는 배터리(10)로 제공되어 복수의 셀(11)을 각각 충전시킬 수 있으며, 복수의 셀(11)이 충전됨에 따라 충전 상태(SoC: State of Charge)가 증가하면서 그 전압도 함께 상승한다.The
도 2는 배터리(10)에 포함되는 배터리 셀(11)의 등가회로도이다. 특히 도 2는 리튬 이온 배터리 셀의 전기적 특성을 고려한 등가회로도로서, 리튬 이온 배터리 셀은 배터리 셀의 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)(Ve)와 내부 인피던스에 의한 분극전압(Ve, Vp)의 합으로 결정된다. 즉, 도 2에 도시된 등가회로도에 의한 리튬 이온 배터리 셀의 단자전압(측정전압: Vt)은 식 1과 같이 나타낼 수 있다.2 is an equivalent circuit diagram of the
[식 1][Formula 1]
Vt = Ve + Vi + VpVt = Ve + Vi + Vp
상기 식 1에서 분극전압은 전류가 흐르는 경우에만 생성되는 것이므로 전류가 흐르지 않는 조건이라면 배터리 셀의 단자전압은 개방 회로 전압과 동일한 값(Vt=Ve)이 된다. 즉, 개방 회로 전압은 실제 배터리 셀의 에너지 용량을 의미하는 값이 되는 것이다.Since the polarization voltage is generated only when current flows, the terminal voltage of the battery cell becomes equal to the open circuit voltage (Vt = Ve) under the condition that no current flows. That is, the open circuit voltage is a value indicating the energy capacity of the actual battery cell.
한편, 전류(i)가 흐르는 조건인 경우 식 1은 다음의 식 2 및 식 3과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, in the case where the current (i) flows, equation (1) can be expressed by the following equations (2) and (3).
[식 2][Formula 2]
Vt = Ve + i*Ri +i*(RC회로의 합성 임피던스)Vt = Ve + i * Ri + i * (composite impedance of RC circuit)
[식 3][Formula 3]
즉, 배터리 셀의 내부 임피던스()와 전류(i)에 의해 실제로 에너지를 제공할 수 있는 전압이 아닌 분극 전압이 발생하게 된다. 이 분극전압은 전류(i)가 크고 내부 임피던스()가 클수록 더 큰 값을 갖게 된다.That is, the internal impedance of the battery cell ( ) And the current (i) cause a polarization voltage that is not a voltage that can actually provide energy. This polarization voltage has a large current (i) and an internal impedance ( The larger the value, the greater the value.
배터리의 충전시에는 배터리 셀에 전류(i)가 흐르게 되므로 내부 임피던스에 의한 분극 전압이 반드시 발생하게 된다. 이러한 분극전압에 의해 배터리 셀의 단자에서 검출되는 전압은 실제 사용할 수 있는 에너지에 해당하는 개방 회로 전압(Ve)보다 큰 값을 가지며, 이러한 배터리 셀의 검출전압이 컨트롤러(20)로 제공된다. When the battery is charged, the current (i) flows through the battery cell, so that the polarization voltage due to the internal impedance is necessarily generated. The voltage detected at the terminal of the battery cell by the polarization voltage has a value larger than the open circuit voltage Ve corresponding to the actual usable energy and the detection voltage of the battery cell is provided to the
컨트롤러(20)는 분극 전압을 포함하는 검출전압을 고려하여 충전을 제어하는 바, 실제 배터리 셀에 충분한 에너지가 충전되지 못한 상태에서 충전을 중단할 수 있다.The
충전이 중단되는 시점에서 배터리 셀의 전압은 충전목표전압에 대응하는 값을 가지지만, 시간이 경과함에 따라 내부 임피던스(특히 커패시터(Cdl))에 의한 전압이 사라지면서 배터리 셀의 단자전압은 점차 감소하여 개방 회로 전압(Ve)로 수렴하게 된다.The voltage of the battery cell has a value corresponding to the charging target voltage at the time when charging is stopped, but the voltage due to the internal impedance (particularly, the capacitor Cdl) disappears with the lapse of time, and the terminal voltage of the battery cell gradually decreases And converges to the open circuit voltage Ve.
충전이 가능한 배터리 셀은, 충전과 방전이 반복될수록 불순물 생성으로 인한 이온 침전 등의 이유로 내부 임피던스가 증가하게 되며 실제 에너지 저장 용량이 줄어들게 된다. 즉, 배터리 셀의 열화가 증대됨에 따라 내부 임피던스가 증가되고, 이에 따라 충전 중 내부 임피던스에 의한 분극 전압(Vi + Vp)의 값은 열화가 진행될수록 더욱 빠르게 상승하게 된다. As the chargeable and dischargeable battery cells are repeatedly charged, the internal impedance is increased due to ion precipitation due to the generation of impurities, and the actual energy storage capacity is reduced. That is, as the deterioration of the battery cell is increased, the internal impedance is increased, and accordingly the polarization voltage (V i + V p ) due to the internal impedance during charging The value rises more rapidly as deterioration progresses.
복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 충전하는 과정에서, 컨트롤러(20)는 복수의 배터리 셀의 단자전압 중 최대전압에 따라 충전 중단을 결정하게 되므로, 배터리 셀 간의 열화도가 상호 상이한 경우 충전을 종료하는 시점에서 각 배터리 셀의 충전 상태가 상호 상이하게 된다.In the process of charging the battery including the plurality of battery cells, the
즉, 상대적으로 열화도가 낮은 배터리 셀은, 최대 전압을 갖는 배터리 셀로 인해 그 단자전압이 최대값에 도달하지 못한 시점, 즉 충전이 충분하게 완료되지 못하는 시점에 충전이 종료되고, 시간이 지나 분극 전압이 소멸되면 낮은 단자전압이 개방 회로 전압으로 감소되어 배터리를 사용하는 사용자에게 충전용량에 대한 혼란을 야기시킬 수 있다.That is, in a battery cell having a relatively low degree of deterioration, charging is terminated when the terminal voltage of the battery cell having the maximum voltage fails to reach the maximum value, that is, when charging is not sufficiently completed, When the voltage is extinguished, the low terminal voltage is reduced to the open circuit voltage, which may cause a disruption to the charge capacity to the user using the battery.
따라서, 충전 중 배터리 셀의 분극전압에 의한 충전용량의 감소의 영향을 줄이고 배터리 셀간의 열화도 차이에 따른 단자전압 차이를 가능한 감소시키면서 충전을 종료하여야 충전 이후 배터리 셀 안정화에 의해 발생하는 충전 상태의 편차를 해소할 수 있는 것이다.Therefore, it is necessary to reduce the influence of the decrease in the charging capacity due to the polarization voltage of the battery cell during charging and to terminate the charging while minimizing the terminal voltage difference according to the deterioration degree between the battery cells. The deviation can be solved.
전압센서(12)는 배터리 셀(11)의 양단에 설치되어 배터리 셀(11)의 단자전압을 검출할 수 있다. 충전 중에는 배터리 셀(11)로 전류(i)가 제공되는 상태이므로 전압센서(12)에 의해 검출되는 전압은 배터리 셀(11) 내부의 내부 임피던스에 의한 분극전압을 포함한 전압값이 될 수 있다.The
충전기(30)는 배터리(10)로 충전전류(i)를 제공하는 요소로서, 다양한 회로를 포함하는 충전 시스템의 개념으로 이해될 수도 있고, 컨트롤러(20)의 제어에 의해 전류(i)의 크기를 변경할 수 있는 충전 시스템 내의 특정 회로의 개념으로 이해될 수도 있다. 즉, 본 발명의 여러 실시형태에서, 충전기(30)는 컨트롤러(20)의 제어에 의해 그 크기가 결정되는 충전전류를 제공할 수 있는 모든 요소를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 컨트롤러(20)에 의해 크기가 제어되는 전류를 출력하는 회로적인 요소들은 당 기술분야에 기 공지된 기술에 해당하므로 그에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.The
컨트롤러(20)는 배터리(10)에 포함된 배터리 셀(11)의 단자전압을 검출한 값을 전압센서(12)로부터 입력 받고, 그에 따라 충전기(30)에서 출력되는 충전전류의 크기를 제어하기 위한 제어신호를 충전기(30)로 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(20)는 전압센서(12)의 출력에 따라 각각의 배터리 셀(11)에서 검출된 전압 검출값에 따라 충전전류의 공급 여부 및/또는 충전전류(i)의 크기를 조정할 수 있다. 컨트롤러(20)가 충전전류(i)의 크기를 조정하는 데에는 충전기(30)의 출력단에 배치되는 전류 센서(40)를 이용하여 검출되는 충전전류(i)의 검출값을 이용할 수 있다.The
컨트롤러(20)에서 수행되는 제어기법들은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The control techniques performed in the
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 열화도가 낮은 배터리 셀과 열화도가 높은 배터리 셀의 충전 중 단자 전압 변화 및 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 의한 배터리 셀의 전압 변화를 비교 도시한 도면이다.FIG. 3 is a flowchart showing a method of charging a battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph showing changes in terminal voltage during charging of a battery cell having a low degree of deterioration and a battery having a high degree of deterioration, FIG. 5 is a graph showing a comparison of voltage changes of a battery cell according to a battery charging method according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법은, 배터리(10)의 충전이 개시되면 컨트롤러(20)가 충전기(30)를 제어하여 배터리(10)로 충전전류(i)를 공급하는 단계(S11)와, 배터리(10)의 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 컨트롤러(20)가 충전기(30)를 제어하여 충전전류(i)의 공급을 차단하는 단계(S12)와, 충전전류의 공급을 차단하고 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전(S13) 배터리(10)의 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우(S15), 배터리(10)의 전압 검출값이 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 단계(S11)를 포함하여 구성될 수 있다.3, when the charging of the
이러한, 본 발명의 일 실시형태에서, 배터리(10)의 전압 검출값은 복수의 배터리 셀(11) 각각에 마련된 전압센서(12)에서 검출된 전압 검출값 중 가장 큰 값을 이용할 수 있다. 이는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)이 과충전 되는 것을 방지하기 위한 것으로, 가장 큰 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전전류(i)의 공급 여부가 결정된다.In this embodiment of the present invention, the voltage detection value of the
한편, 전술한 바와 같이, 열화도가 낮은 배터리 셀은 내부 임피던스가 작으므로 분극 전압의 영향을 적게 받으므로, 충전전류가 공급되는 충전 중에 단자전압의 크기는 서서히 증가하게 된다. 반면, 열화도가 높은 배터리 셀은 내부 임피던스가 크기 때문에 전류가 공급되는 경우 분극 전압이 크게 상승하므로 충전 중에 단자전압의 크기가 급하게 증가하게 된다. On the other hand, as described above, since the internal impedance of the battery cell having a low degree of deterioration is small, the influence of the polarization voltage is small, and thus the magnitude of the terminal voltage gradually increases during charging in which the charging current is supplied. On the other hand, since a battery cell having a high degree of deterioration has a large internal impedance, when a current is supplied, the polarization voltage greatly increases, and the magnitude of the terminal voltage increases rapidly during charging.
도 4의 좌측 그래프는 상대적으로 열화도가 낮은 배터리 셀의 충전에 따른 단자전압 변화를 도시한 것이고 가운데 그래프는 열화도가 높은 배터리 셀의 충전에 따른 단자전압 변화를 도시한 것이다.The graph on the left side of FIG. 4 shows terminal voltage changes due to charging of battery cells having relatively low deterioration, and the middle graph shows terminal voltage changes due to charging of battery cells having a high deterioration degree.
도 4에 도시한 것과 같이, 열화도가 낮은 배터리 셀의 경우에는 사전 설정된 임계 전압까지 단자전압이 상승하여 충전전류의 공급이 차단되는 경우, 배터리 셀의 안정화이 후 임계 전압과 배터리 셀의 개방전압과의 차이가 작다. 이에 반해, 열화도가 높은 배터리 셀을 종래와 같이 단순 충전하는 경우에는 내부 임피던스에 의해 배터리 단자전압이 급격하게 상승하므로, 배터리 셀 전압 검출값이 임계 전압에 도달하여 충전이 중단되는 경우 임계 전압과 배터리 셀의 개방전압(Ve)와의 차이가 크게 나타난다. 이에 따라서, 여러 배터리 셀을 함께 충전하는 경우 컨트롤러(20)는 최대 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전 종료를 결정하게 되므로, 상대적으로 열화도가 낮은 배터리 셀은 개방 회로 전압까지 더 상승할 여력이 있음에도 불구하고 충전이 중단되는 문제가 발생한다. 또한, 열화된 배터리 셀의 경우에도 내부 임피던스에 의한 분극 전압의 영향을 배제하는 경우에 더 많은 전력을 저장할 수 있게 됨에도 불구하고 전압센서(12)에서 검출되는 전압 검출값에 기반하여 충전 여부가 결정되므로 충전량이 적어진다. 나아가 이러한 문제들로 인해 전체 배터리의 충전 용량까지 감소되는 것이다.4, in the case of a battery cell having a low degree of deterioration, when the terminal voltage rises to a predetermined threshold voltage and the supply of the charging current is interrupted, the threshold voltage and the open- . On the other hand, when the battery cell having a high degree of deterioration is simply charged as in the conventional case, the battery terminal voltage rapidly rises due to the internal impedance. Therefore, when the battery cell voltage detection value reaches the threshold voltage, The difference from the open-circuit voltage Ve of the battery cell is large. Accordingly, when the plurality of battery cells are charged together, the
따라서, 본 발명의 여러 실시형태는 이러한 문제를 감안하여 배터리 충전 시 가장 큰 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전전류(i)의 공급을 차단하고서 충전을 종료하는 것이 아니라 일정 시간 경과 후 다시 배터리를 추가 충전함으로써 배터리 셀에 더 많은 전력을 충전할 수 있게 하고자 하는 것이다.Therefore, in view of such a problem, the various embodiments of the present invention can prevent the charging current (i) from being supplied based on the battery cell having the largest voltage detection value at the time of battery charging, It is intended to be able to charge the battery cell with more power by charging the battery further.
이를 위해, 도 4의 가장 우측 그래프에 도시된 것과 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 배터리 충전이 개시되면 우선적으로 배터리(10)에 충전전류(i)를 공급하여 배터리(10)에 포함된 전체 배터리 셀(11)을 충전하고(S11), 각 배터리 셀(11)의 전압을 각각 검출하는 전압센서(12)에서 제공되는 전압 검출값 중 최대 전압 검출값을 기반으로 충전전류(i)의 공급차단 여부를 결정한다(S12).To this end, as shown in the rightmost graph of Fig. 4, various embodiments of the present invention supply charge current (i) to
단계(S12)에서, 컨트롤러(20)는 최대 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압(셀 허용 최대전압)에 도달하면 충전전류(i)의 공급을 우선 차단한다. 그 후 사전 설정된 기준 시간(A)이 경과하기 이전에(S14) 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우(S15) 추가 충전을 위해 충전기(30)를 제어하여 충전전류(i)가 배터리(10)로 공급되게 한다. 이 때, 임계 전압은 사전 설정된 배터리 셀의 충전상태(SOC)에 기반하여 결정되는 것으로 예를 들어 열화된 배터리 셀의 개방회로 전압(Ve)에 해당하는 값이 될 수 있다.In step S12, the
이를 위해, 컨트롤러(20)는 충전전류(i)의 공급을 우선 차단한 이후 사전 설정된 시간 간격으로 주기적인 웨이크업을 수행하고(S14), 웨이크업 될 때마다 전압 센서(12)에서 검출된 전압 검출값을 확인하여 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는지 판단할 수 있다(S15).To this end, the
한편, 배터리 셀은 배터리 셀 제작자에 의해 사전에 결정되는 충전상태-개방회로전압 관계가 존재한다.On the other hand, the battery cell has a charge state-open circuit voltage relationship determined in advance by the battery cell manufacturer.
예를 들어, 이 관계는 다음의 표와 같을 수 있다.For example, this relationship may be as shown in the following table.
단계(S15)에서 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는지 판단하는 것은 배터리 셀(11)의 충전상태에 따른 개방회로 전압의 크기를 고려한 것이다. 예를 들어, 우선적으로 충전전류(i)의 공급을 차단하여 배터리 셀의 안정화가 이루어지던 중 배터리 셀의 충전상태(SOC)가 원하는 수준 이하로 감소하게 되면 이 원하는 수준의 충전상태(SOC)에 대응되는 값보다 전압 검출값이 더 감소하게 되는 것이다. 따라서, 이 임계 전압은 배터리 셀의 제작 시 사전에 결정되는 충전상태-개방회로 전압 관계에 따라 적절하게 결정될 수 있는 것이다.The determination of whether the maximum voltage detection value is decreased to a predetermined threshold voltage or less in step S15 is based on the magnitude of the open circuit voltage depending on the charging state of the
컨트롤러(20)가 우선적으로 충전전류(i) 공급을 차단한 후, 배터리 셀 내의 내부 임피던스가 제거되는 안정화 과정이 진행되면서 사전 설정된 기준 시간 이내에 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하여 다시 추가적으로 충전전류(i)를 배터리에 공급하게 한 경우에도, 추가적인 충전전류의 공급(i)은 최대 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달할 때까지 이루어질 수 있다.The
이 때, 배터리 셀(11)의 내부 임피던스가 다시 생성되면서, 배터리 셀(11)의 전압 검출값은 실제 개방회로 전압이 상승하는 것보다 빠른 시간 내에 충전 종료 전압에 도달하지만, 추가 충전(보충전)을 통해 그 이전 충전전류에 의한 충전 시 보다 개방회로 전압도 상승하게 된다. 즉, 도 4의 최우측 그래프에 나타난 것과 같이 최초 충전전류 공급에 의해 충전된 배터리 셀의 개방전압(Ve1)보다 추가 충전 시 충전전류 공급에 의해 충전된 배터리 셀의 개방전압(Ve2)이 더 큰 값을 갖게 된다.At this time, while the internal impedance of the
특히, 추가 충전시에 컨트롤러(20)는 그 직전 충전 시 제공되는 충전전류의 크기보다 더 작은 크기를 갖는 충전전류를 배터리(10)로 제공하도록 충전기(30)를 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이, 배터리 셀의 내부 임피던스에 의해 결정되는 분압전압의 크기는 공급되는 전류의 크기에 거의 비례한다. 따라서, 전류의 크기를 작게 충전하는 경우 분압전압의 크기가 작게 나타나므로 배터리 셀에서 검출되는 전압 검출값에 분압전압이 미치는 영향을 감소시킬 수 있다. 추가 충전에 소요되는 시간은 최초 충전에 소요되는 시간에 비해 상당히 짧기 때문에, 추가 충전 시에 충전전류를 감소시키면 그에 따른 충전시간 지연을 최소화 하면서 더 많은 전력을 배터리 셀에 충전할 수 있게 되는 것이다.In particular, upon further charging, the
컨트롤러(20)는 우선적으로 충전전류의 공급을 차단한 후 주기적인 웨이크업을 통해 사전 설정된 시간 간격마다 배터리 셀(11)의 전압 검출값과 임계 전압을 비교할 수 있다. 특히, 컨트롤러(20)는 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업 되므로, 웨이크업 되는 회수에 따라 충전전류 공급 차단 후 경과 시간을 확인할 수 있다. 즉, 추가 충전을 판단하기 위한 기준 시간이 웨이크업 주기의 n(자연수)배라고 한다면, 컨트롤러(20)는 우선적인 충전전류 차단 후 n회 이내로 웨이크업 하였을 때 최대 전압 검출값이 임계 전압 이하로 감소한 경우 추가 충전을 개시하도록 충전기를 제어할 수 있다. 반면, 컨트롤러는 우선적인 충전전류 차단 후 n회를 초과하여 웨이크업 하였을 때 최대 전압 검출값이 임계 전압을 초과한다면 최종적으로 배터리의 충전을 종료하고, 배터리의 충전이 종료되었음을 차량 시스템을 통해 운전자 등에게 통보할 수 있다.The
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 배터리에 포함된 열화 배터리 셀이 분극전압에 의해 충분히 충전되지 못하는 경우, 우선적인 충전 종료 후 배터리 셀의 안정화 과정을 거쳐 추가적인 충전이 이루어지게 함으로써 열화 배터리 셀에 충전되는 전기 에너지를 극대화할 수 있다.As described above, according to various embodiments of the present invention, when the deteriorated battery cell included in the battery can not be sufficiently charged due to the polarization voltage, the battery cell is stabilized after the first charge is completed, The electric energy to be charged into the battery cell can be maximized.
이에 따라, 본 발명의 여러 실시형태는 사용 기간이 오래된 배터리의 경우에도 충전 용량을 최대화하여 차량의 연비 저하를 방지할 수 있다.Accordingly, the various embodiments of the present invention can maximize the charging capacity even in the case of a battery having a long usage period, thereby preventing a fuel efficiency deterioration of the vehicle.
본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although the present invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as hereinafter claimed It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
10: 배터리 11: 배터리 셀
12: 전압 센서 20: 컨트롤러
30: 충전기 40: 전류 센서10: Battery 11: Battery cell
12: voltage sensor 20: controller
30: charger 40: current sensor
Claims (11)
상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하는 단계;
상기 충전전류의 공급을 차단하고 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 단계;를 포함하며,
상기 추가 충전하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류의 크기는 상기 공급하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류의 크기보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.Supplying a charging current to the battery;
Blocking the supply of the charging current when the voltage detection value of the battery reaches a predetermined charging end voltage;
When the voltage detection value of the battery decreases below a predetermined threshold voltage before the supply of the charging current is stopped and the predetermined reference time elapses, Supplying an electric current to further charge the battery,
Wherein the magnitude of the charging current supplied to the battery in the additional charging step is smaller than the magnitude of the charging current supplied to the battery in the supplying step.
상기 추가 충전하는 단계 이후 상기 기준 시간이 경과한 후, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.The method according to claim 1,
Further comprising ending charging of the battery if the voltage detection value of the battery is greater than the threshold voltage after the reference time elapses after the additional charging step.
상기 추가 충전하는 단계는, 상기 배터리를 관리하는 컨트롤러가 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 배터리의 전압을 검출하고 상기 배터리의 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.The method according to claim 1,
Wherein the additional charging step includes the step of waking up the controller managing the battery at a predetermined time interval to detect the voltage of the battery and comparing the voltage detection value of the battery with the threshold voltage How to charge the battery.
상기 전압 검출값은 상기 배터리를 구성하는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the voltage detection value is a voltage detection value detected in a battery cell having a maximum voltage among a plurality of mutually serially connected battery cells constituting the battery.
상기 배터리로 충전전류를 공급하는 충전기; 및
상기 충전기를 제어하여 상기 충전전류를 조정하는 컨트롤러;를 포함하며,
상기 배터리의 충전 시, 상기 컨트롤러는 상기 전압 센서에서 검출된 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하고, 그 후 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우 상기 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하며,
상기 컨트롤러는, 상기 배터리를 추가 충전할 때 상기 배터리로 공급되는 충전전류의 크기가 그 직전에 배터리로 공급된 충전전류의 크기보다 작은 값을 갖도록 조정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.A voltage sensor for detecting a voltage of the battery;
A charger for supplying a charging current to the battery; And
And a controller for controlling the charging unit to adjust the charging current,
The controller stops supply of the charging current when the voltage detection value detected by the voltage sensor reaches a predetermined charging end voltage, and then, before the predetermined reference time elapses, The charging current is supplied and charged further until the voltage detection value reaches the charging end voltage,
Wherein the controller adjusts the magnitude of the charging current supplied to the battery when the battery is further charged to have a value smaller than the magnitude of the charging current supplied to the battery immediately before the charging.
상기 배터리를 추가 충전한 이후, 상기 기준 시간이 경과한 후의 상기 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.The system of claim 6,
Wherein after the battery is further charged, if the voltage detection value after the elapse of the reference time is greater than the threshold voltage, charging of the battery is terminated.
상기 컨트롤러는 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.The method of claim 6,
Wherein the controller wakes up at a predetermined time interval to compare the voltage detection value with the threshold voltage.
상기 컨트롤러는 상기 웨이크업하는 회수에 기반하여 상기 기준 시간을 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.The method of claim 8,
Wherein the controller determines the reference time based on the number of wake-up times.
상기 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하며, 상기 전압 센서는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 검출하는 복수개로 구현되며,
상기 전압 검출값은 상기 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.The method according to any one of claims 6 to 9,
Wherein the battery includes a plurality of battery cells connected in series and the voltage sensor is implemented as a plurality of detectors for detecting a voltage of each of the plurality of battery cells,
Wherein the voltage detection value is a voltage detection value detected in a battery cell having a maximum voltage among the plurality of battery cells.
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