JP2018130014A - バッテリー充電方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、多段階定電流方式を利用してバッテリーを充電する方法および装置に関する。【解決手段】 バッテリーのＳＯＣとバッテリーの負極のＯＣＶの間の関数関係に基づいて予め決められた複数の充電区間のうち、バッテリーの現在充電率が位置する第１充電区間を決定する段階と、第１充電区間に対応する第１充電率で第１充電区間の間バッテリーを充電する段階とを通してバッテリーを充電する方法および装置が提供される。【選択図】 図１

Description

本発明は、多段階に充電率の大きさを変化させてバッテリーを充電する方法および装置に関するものである。

バッテリーの充電速度を向上するための多様な方式の充電アルゴリズムが存在する。一般に、定電流−定電圧（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ、ＣＣ−ＣＶ）充電方式が、ＣＣ−ＣＶ充電方式と類似した方式と組み合わされ、パルス充電（ｐｕｌｓｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ）、ブースト充電（ｂｏｏｓｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ）、そして多段階定電流（ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅ ＣＣ）充電等のようなアルゴリズムが存在する。

パルス充電方式は、一定時間大きい電流をバッテリーに印加した後、休止時間（または放電時間）を置く方式である。パルス充電方式によれば、充電初期に印加される高い水準の電流を通して活物質表面のリチウムイオンの濃度を高めて最大拡散速度を確保し、放電（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）を通じてリチウムイオン濃度分布を緩和させることによって追加的な副反応を抑制することができる。しかし、パルス充電方式にはデューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）に代表される、‘実際充電が行われない区間（休止または放電区間）’が必然的に含まれるので、充電速度向上に限界がある。

ブースト充電方式は、初期に高い電流を印加して高電圧を形成し、一定時間定電圧で充電した後、ＣＣ−ＣＶ充電を進行する方式である。ブースト充電方式によれば、完全放電されたバッテリーは充電初期に高率適応性能に優れているので、充電率３０％までは定電圧充電を進行し、以降、後半部定電圧区間の電圧より高い電圧を設定して高い電流で充電することができる。ブースト充電方式は、充電初期の高い電流適用段階に鑑みれば、ほぼ完全放電に近いバッテリー初期状態が要件とならなければならない。

多段階定電流方式は、時間軸を複数の区間に区分し、各区間が進行するほど高い電流又は低い電流を印加する方式である。各区間の区分は予め決められた臨界電圧により、充電電圧が臨界電圧に到達すれば電流の大きさを変更する（つまり、もっと低い電流を印加する）。区間別電流の大きさは多様な最適化ツール（ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｏｏｌ）によって決定され、一般に１次プロファイルが適用された以後、放電特性を検討する過程を繰り返して最適パターンが決定される。電圧を通した各段階の区分および電流強さの変更を通して多様な形態のアルゴリズムが導出される。多段階定電流方式で核心的なのは、充電速度を最大化しながらバッテリー容量を維持することができる区間を設定することと、区間別充電率の強さを決めることである。従来のトライアンドエラー（ｔｒｉａｌ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ）方式は初期に入力された充電条件に基づいて放電特性を確認した後、これによって充電条件を調整するアルゴリズムであるが、この時、印加電流によるバッテリーの状態（温度、温度変化、電圧、または電圧変化）が測定され、そのために電流の大きさが調整されるので、アルゴリズム確定のための時間および実験費用が大きく、適応方式（ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｃｈｅｍｅ）の制御のために付加システムが必然的に伴うため、適用複雑度が増加する。

一実施形態は多段階定電流方式を利用してバッテリーを充電する方法を提供する。

他の実施形態は多段階定電流方式を利用してバッテリーを充電する装置を提供する。

一実施形態によれば、バッテリーの充電方法が提供される。前記バッテリー充電方法は、バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）とバッテリーの負極の開回路電圧（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）の間の関数関係に基づいて予め決められた複数の充電区間のうち、バッテリーの現在充電率が位置する第１充電区間を決定する段階と、第１充電区間に対応する第１充電率で第１充電区間の間バッテリーを充電する段階とを含む。

前記バッテリー充電方法は、第１充電区間が終了すると第１充電区間の次の区間である第２充電区間に対応する第２充電率で第２充電区間の間バッテリーを充電する段階をさらに含んでもよい。

前記バッテリー充電方法は、第１充電区間が複数の充電区間のうち最後の充電区間であるかまたは第１充電区間の次の区間である第２充電区間が最後の充電区間であれば、バッテリーの充電電圧が予め決められた電圧値に到達したかどうかをモニターする段階と、充電電圧が予め決められた電圧値に到達すれば、充電上限電圧をバッテリーに印加する段階とをさらに含んでもよい。

前記バッテリー充電方法で、複数の充電区間は、複数の充電区間内に含まれる、関数関係の微分グラフの極小点または極大点を基準として適用される予め決められた高さを有するウィンドウによって決定され、予め決められた高さは充電プロセッサーの複雑度によって予め決定されてもよい。

前記バッテリー充電方法で、予め決められた高さは０．６より大きくない値に予め決定してもよい。

前記バッテリー充電方法で、予め決められた高さが大きければ、ウィンドウの幅が増加して複数の充電区間それぞれの長さが長くなり、予め決められた高さが小さければ、ウィンドウの幅が減少して複数の充電区間それぞれの長さが短くなる。

前記バッテリー充電方法で、予め決められた高さが大きければ、ウィンドウの幅が増加して複数の充電区間の個数が減り、予め決められた高さが小さければ、ウィンドウの幅が減少して複数の充電区間の個数が増える。

前記バッテリー充電方法で、第１充電率の大きさは、第１充電区間の間一定に維持し、第１充電区間の終点でバッテリーの負極の電位とバッテリーの電解液の電位の差が予め決められた値より小さくなるように決定されてもよい。

前記バッテリー充電方法で、予め決められた値は、２×１０^−６[Ｖ]であってもよい。

前記バッテリー充電方法で、第１充電率の大きさは、第１充電区間の間一定に維持し、第１充電区間の間バッテリーの負極の電位とバッテリーの電解液の電位の差が常に０より大きくなるように決定されてもよい。

前記バッテリー充電方法で、第１充電率の大きさは、第２充電率の大きさより大きくてもよい。

他の実施形態によれば、バッテリーの充電装置が提供される。前記バッテリー充電装置は、プロセッサーと、メモリと、充電インターフェースとを含み、プロセッサーはメモリに貯蔵されたプログラムを実行して、バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）とバッテリーの負極の開回路電圧（ＯＣＶ）の間の関数関係に基づいて予め決められた複数の充電区間のうちバッテリーの現在容量が位置する第１充電区間を決定する段階と、第１充電区間に対応する第１充電率で第１充電区間の間バッテリーを充電する段階とを行う。

前記バッテリー充電装置で、プロセッサーはメモリに貯蔵されたプログラムを実行して、第１充電区間が終了すると第１充電区間の次の区間である第２充電区間に対応する第２充電率で第２充電区間の間バッテリーを充電する段階をさらに行ってもよい。

前記バッテリー充電装置で、プロセッサーはメモリに貯蔵されたプログラムを実行して、第１充電区間が複数の充電区間のうち、最後の充電区間であるかまたは第１充電区間の次の区間である第２充電区間が最後の充電区間であれば、バッテリーの充電電圧が予め決められた電圧値に到達したかどうかをモニターする段階と、充電電圧が予め決められた電圧値に到達すれば、充電上限電圧をバッテリーに印加する段階とをさらに行ってもよい。

前記バッテリー充電装置で、複数の充電区間は、複数の充電区間内に含まれる、関数関係の微分グラフの極小点または極大点を基準として適用される予め決められた高さを有するウィンドウによって決定され、予め決められた高さは充電プロセスの複雑度によって予め決定されてもよい。

前記バッテリー充電装置で、予め決められた高さは０．６より大きくない値に予め決定されてもよい。

前記バッテリー充電装置で、予め決められた高さが大きければ、ウィンドウの幅が増加して複数の充電区間それぞれの長さが長くなり、予め決められた高さが小さければ、ウィンドウの幅が減少して複数の充電区間それぞれの長さが短くなる。

前記バッテリー充電装置で、予め決められた高さが大きければ、ウィンドウの幅が増加して複数の充電区間の個数が減り、予め決められた高さが小さければ、ウィンドウの幅が減少して複数の充電区間の個数が増える。

前記バッテリー充電装置で、第１充電率の大きさは、第１充電区間の間一定に維持し、第１充電区間の終点でバッテリーの負極の電位とバッテリーの電解液の電位の差が予め決められた値より小さくなるように決定されてもよい。

前記バッテリー充電装置で、予め決められた値は、２×１０^−６[Ｖ]であってもよい。

前記バッテリー充電装置で、第１充電率の大きさは、第１充電区間の間一定に維持し、第１充電区間の間バッテリーの負極の電位とバッテリーの電解液の電位の差が常に０より大きくなるように決定されてもよい。

前記バッテリー充電装置で、第１充電率の大きさは、第２充電率の大きさより大きくてもよい。

バッテリーの負極素材のＯＣＶ変化に基づいて決められた、充電区間および各充電区間に対応する充電率によってバッテリーを充電することによって、バッテリーのリチウムプレーティング現象を防止することができる。

一実施形態によるバッテリー充電方法を示すフローチャートである。 一実施形態によるバッテリーのＳＯＣと負極のＯＣＶの間の関係を示すグラフである。 一実施形態によるバッテリーのＳＯＣと負極のＯＣＶの間の関係により決められた充電区間を示す図である。 一実施形態による充電区間別充電率を決める方法を示すフローチャートである。 一実施形態による充電区間別充電率およびｄｐｈｉｓｌを示すグラフである。 一実施形態による実際充電時に適用される充電率およびｄｐｈｉｓｌと、充電電圧の変化を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／Ｎｉ−Ｓｎバッテリーセルに適用された充電区間および充電率を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／Ｎｉ−Ｓｎバッテリーセルに適用された充電区間および充電率を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／Ｎｉ−Ｓｎバッテリーセルの充電電圧変化を比較したグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／Ｎｉ−ＳｎバッテリーセルのＳＥＩ薄膜の厚さの変化を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルに適用された充電区間を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルの容量の保有率間比較結果を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルに適用された充電区間によるｄｐｈｉｓｌの変化を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルに適用された充電率によるｄｐｈｉｓｌの変化を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルに適用された時間によるｄｐｈｉｓｌの変化を示すグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルの充電電圧変化を比較したグラフである。 一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルのＳＥＩ薄膜の厚さの変化を示すグラフである。 一実施形態によるバッテリー充電装置を示すブロック図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は様々な相異な形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。そして図面において、発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって類似の部分については同一の参照符号を付与する。

図１は、一実施形態によるバッテリー充電方法を示すフローチャートである。

本明細書において、バッテリーは多段階定電流充電方式に基づいて充電される。図１を参照すれば、一実施形態によるバッテリー充電装置は、まず、現在バッテリーの充電量（充電状態または充電電圧）を確認し、残りの充電量に対応する充電区間を選択する（Ｓ１１０）。

一実施形態によれば、バッテリーを充電するための複数の充電区間は充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）とバッテリーの負極素材の開回路電圧（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）の間の関係に基づいて決定される。以下、図２および図３を参照して一実施形態による充電区間について詳細に説明する。

図２は、一実施形態によるバッテリーのＳＯＣと負極のＯＣＶの間の関係を示すグラフであり、図３は、一実施形態によるバッテリーのＳＯＣと負極のＯＣＶの間の関数関係および関数関係により決められた充電区間を示した図である。

図２で、ｘ軸はバッテリーのＳＯＣを示し、ｙ軸はバッテリーの負極のＯＣＶを示す。バッテリーのＳＯＣは、負極内のＬｉの比率により決定される。図２を参照すれば、負極のＯＣＶはＳＯＣが増加することによって減少する。つまり、充電が行われると、負極活物質（固体）の電位（ｐｈｉｓ）は減少し、これとは逆に、電解質（液体）の電位（ｐｈｉｌ）はリチウム陽イオンの供給により増加する。この時、負極活物質の電位と電解質の電位が同じになれば（ｐｈｉｓ＝ｐｈｉｌ）、リチウム陽イオンが析出される。したがって、負極活物質内Ｌｉ濃度によるＯＣＶの減少動きの変化を分析してリチウム−プレーティング（Ｌｉ−ｐｌａｔｉｎｇ）現象を防止することができる。リチウムプレーティング現象とは、負極に供給されたリチウム陽イオン（Ｌｉ＋）が負極で急速に吸収されずに蓄積されてリチウム金属として析出される現象であり、高い水準の充電率（ｈｉｇｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒａｔｅ、ｈｉｇｈ Ｃ−ｒａｔｅ）を適用してバッテリーを充電する時、考慮しなければならない最も大きな問題点のうちの一つである。リチウムプレーティング現象が発生すると、不均一なリチウム結晶（Ｌｉ−ｄｅｎｄｒｉｔｅ）が形成され、バッテリー短絡（ｓｈｏｒｔ）が発生し、バッテリー寿命の減少およびバッテリーの不具合につながることが懸念される。リチウムプレーティングはバッテリーを充電する時、負極活物質の電位と電解質の電位差が０に近い場合に発生する。したがって、リチウムプレーティングは負極活物質内のリチウム濃度による負極の電位変化を通して推定される。

一実施形態によれば、バッテリーの充電のための複数の充電区間は負極のＯＣＶの減少の様相又は傾向（例えば、ＳＯＣ−ＯＣＶグラフの傾き、またはｄＯＣＶ／ｄＳＯＣグラフ）が変わる地点によって区分される。例えば、一実施形態による充電区間は、ＳＯＣ（または時間）によって負極のＯＣＶの傾きを分析し、傾きの差が予め決められた値となる地点を基準に区分される。

一実施形態によれば、ＳＯＣに対するＯＣＶの関数関係を微分した微分グラフ（一点鎖線）で、極点が決定される。そして、極小点があれば、まず、極小点を基準に充電区間が決定される。図３を参照すれば、微分グラフ上のポイントＰ_１およびポイントＰ_２が極小点に相当する。そして、各極小点を基準に高さがＳ_０であるウィンドウ（プラス（＋）方向ウィンドウ）が適用される。

一実施形態によれば、ウィンドウは予め決められた高さＳ_０を有し、ウィンドウの幅はウィンドウの上側辺または下側辺と、微分グラフが交わる又は接する地点によって決定される。ウィンドウの高さＳ_０は予め決定される値として、充電プロセスの複雑度によって０．６より大きくない値に予め決定される。例えば、Ｓ_０が大きければウィンドウの幅が増加して充電区間の長さが長くなり、充電プロセスに含まれる充電区間の個数が減る。Ｓ_０が小さければウィンドウの幅が減少して充電区間の長さが短くなり、充電プロセスに含まれる充電区間の個数が増える。したがって、充電プロセスを単純に調整する必要があれば、ウィンドウの高さＳ_０は大きい値に予め決定され、充電プロセスを精巧に調整する必要があれば、ウィンドウの高さＳ_０は小さい値に予め決定される。

図３を参照すれば、ポイントＰ_１に高さＳ_０のウィンドウが適用された結果として第２充電区間の右側境界が決定され、ポイントＰ_２に高さＳ_０のウィンドウが適用された結果として第５充電区間の両側境界が決定される。ポイントＰ_１の左側境界は、ポイントＰ_１に適用されるウィンドウ内に極大点も存在するので、極大点によって決定される。

次に、極大点を基準に高さＳ_０−のウィンドウが適用される。図３を参照すれば、微分グラフ上のポイントＰ_３およびＰ_４が極大点に相当する。そして、極大点のｙ軸値を基準に高さがＳ_０であるウィンドウ（マイナス（−）方向ウィンドウ）が適用される。そのために第２充電区間の左側境界および第４充電区間の左側境界が決定される。図３で、第１充電区間の右側境界は、先に決められた第２充電区間の左側境界と同じであり、第３充電区間の両側境界は先に決められた第２充電区間の右側境界および第４充電区間の左側境界と同じである。つまり、一実施形態によれば、単調増加または単調減少の充電区間（第３充電区間）の境界は他の充電区間の境界によって決定される。また、ＯＣＶの変化量が小さい区間（第６充電区間）では極小点または極大点の存在にもかかわらず、充電区間が区分されないこともある。また、第６充電区間の最後は定電圧区間であり、異なる基準により区間が決定され、以下に詳しく説明する。

この時、極小点と極大点が予め決められた範囲内に含まれていれば（つまり、極小点および極大点の間隔が狭い場合）、極大点による境界決定が省略されることができる。例えば、図３で極小点Ｐ_１および極大点Ｐ_４が予め決められた範囲内に含まれていれば、極小点Ｐ_１を基準にした高さＳ_０であるウィンドウ（＋方向ウィンドウ）によって第２充電区間の両側境界が決定され、或いは、極小点Ｐ_１よりｙ軸値がＳ_０ほど大きいウィンドウ（＋方向ウィンドウ）によって第２充電区間の右側境界が決定され、極小点Ｐ_１よりｙ軸値がＳ_０ほど小さいウィンドウ（−方向ウィンドウ）によって第２充電区間の左側境界が決定される。

一実施形態によれば、境界に相当する傾きと極小点または極大点の間の傾きの差を示すＳ_０が相対的に大きい値であれば（例えば、０．３）、各充電区間の区間長さが長くなり充電区間の個数は減少するので、充電プロセスが単純になり得る。反対に、Ｓ_０が相対的に小さい値であれば（例えば、０．０５）、各充電区間の区間長さが短くなり充電区間の個数が増えて、バッテリーがさらに精巧に充電されることができる。一実施形態で充電区間を決定するためのウィンドウの高さを示すＳ_０は予め決められた値（例えば０．５）より小さい値に決定される。

図３を参照すれば、各区間内でＳＯＣ−ＯＣＶグラフの傾きは比較的一定に維持されるが（区間内の傾きの変化率≒０）、各区間の平均傾きは互いに異なる値を有する。つまり、各区間の境界の傾きの変化率は、各区間内の傾きの変化率に比べて相対的に大きい値を有する（区間境界の傾きの変化率>>０）。傾きの変化率が相対的に小さい値に維持される区間内では、バッテリー充電装置が比較的容易にリチウム−プレーティング現象に対応することができる。したがって、バッテリーの充電のための複数の充電区間は、ＳＯＣ−ＯＣＶグラフの傾きまたは傾きの変化率によって決定され、バッテリーの充電時に各充電区間の境界は充電時間または充電電圧によって区分される。

以降、バッテリー充電装置は、選択された充電区間（第１充電区間）に対応する充電率（第１充電率）で充電区間の間バッテリーを充電する（Ｓ１２０）。この時、第１充電区間はｎ個の充電区間のうち、ｍ（ｍ<ｎ）番目の充電区間でありうる。この時、充電率（Ｃ−ｒａｔｅ）はバッテリーの容量対比充電電流の大きさを示す値であり、充電電流の大きさがバッテリーの容量と同じであれば、充電率は１Ｃである。

各充電区間に対応する充電率の大きさは、リチウムプレーティング現象を防止できる最大の大きさで決定される。一実施形態によれば、各充電区間に対応する充電率の大きさは、負極と分離膜の表面の固体／液体間の電位差ｄｐｈｉｓｌによって決定される。固体／液体間の電位差ｄｐｈｉｓｌは、下記の数式１と同様である。

数式１
ｄｐｈｉｓl＝ｐｈｉｓ−ｐｈｉｌ
数式１において、ｐｈｉｓは固体電位、つまり、負極の電位であり、ｐｈｉｌは液体電位、つまり、電解質電位である。ｄｐｈｉｓｌは常に０より大きく維持しなければならないし、バッテリーセルの設計／製作条件および安定性を考慮して決定される。各充電区間の終点でバッテリーのｄｐｈｉｓｌは０に近くなる。バッテリーのｄｐｈｉｓｌが予め決められたｄｐｈｉｓｌ値Ｕ_０（例えば、２×１０^−６）に到達すれば、バッテリー充電段階が次の充電区間に変更され、他の大きさの充電率が次の充電区間でバッテリーに適用される。つまり、バッテリー充電装置は、第１充電区間が終了した後、第１充電区間の次の充電区間の第２充電区間の間、第２充電区間に対応する第２充電率でバッテリーを充電する。この時、次の充電区間の充電率は、前の充電区間の充電率より小さい。

図４は、一実施形態による充電区間別充電率を決める方法を示すフローチャートである。

図４を参照すれば、まず、バッテリー充電シミュレーションを実行する前に特定充電区間の初期充電率の大きさを任意に選択する（Ｓ４１０）。この時、初期充電率の大きさは１Ｃ以上で選択される。以降、初期充電率に基づいて特定充電区間のバッテリー充電シミュレーションを実行し（Ｓ４２０）、特定充電区間の境界でのｄｐｈｉｓｌを確認する（Ｓ４３０）。

特定充電区間の境界のｄｐｈｉｓｌがＵ_０より大きければ充電率の大きさを増加させてバッテリー充電シミュレーションを再び実行する（Ｓ４４０）。ｄｐｈｉｓｌがＵ_０より大きいということは、バッテリーがまだ高い充電率に耐えられる余力があることを意味するためである。また、特定充電区間の境界のｄｐｈｉｓｌがＵ_０より小さければ充電率の大きさを減少させてバッテリー充電シミュレーションを再び実行する（Ｓ４５０）。ｄｐｈｉｓｌがＵ_０より小さいということは、バッテリーに過大な充電率が適用されてリチウム−プレーティングが発生し得ることを意味するためである。以降、ｄｐｈｉｓｌがＵ_０と同じであれば、その時の充電率大きさを当該充電区間での充電率に決めて、次の充電区間の充電率を決定するためにＳ４１０段階から再び始める。

図５は、一実施形態による充電区間別充電率およびｄｐｈｉｓｌを示すグラフである。

図５を参照すれば、ｘ軸は時間を示し、ｙ軸は充電率およびｄｐｈｉｓｌの大きさを示す。この時、充電率はバッテリーの１時間放電時の電流の大きさを基準にした相対電流の大きさである。図５を参照すれば、高い水準の充電率が適用される初期充電区間であるほどｄｐｈｉｓｌが急速に減少していることが分かる。

一方、第１充電区間がｎ個の充電区間のうち、最後のｎ番目の充電区間であるか（ｍ＝ｎ）、または第２充電区間が最後の充電区間でありうる。現在充電区間が最後の充電区間の場合、バッテリー充電装置は、ｎ番目の充電区間に対応する第ｎ充電率でバッテリーを充電し（Ｓ１３０）、充電区間の間バッテリーの充電電圧が予め決められた電圧値に到達したかどうかは、バッテリーの充電電圧をモニターする（Ｓ１４０）。この時、予め決められた電圧値は充電上限電圧Ｖ_ｍａｘに対する予め決められた比率（例えば、９９％）で示され、予め決められた比率および充電上限電圧は、正極、負極、そして電解質の物性を考慮して決定される。また、バッテリー充電装置が、バッテリーの老朽化度合いによりまたは時間経過により予め決められた比率を適応的に低くすることができる。

バッテリーの充電電圧が予め決められた電圧値に到達したとすれば、バッテリー充電装置は定電流の印加を中断し、充電上限電圧をバッテリーに印加することができる（定電圧段階）。この時、定電圧段階への進入の可否は、バッテリーセルの設計変数および可用最大のＳＯＣの範囲によって決定される。定電圧が印加される場合、バッテリー充電装置は電流下限値（一般に０．０５Ｃ）を基準に定電圧段階を終了することができる。以降、定電圧段階の終了でバッテリー充電が終了すると、電流調節装置によってバッテリーに印加される電流が遮断される。一方、定電圧段階が省略される場合、バッテリー充電装置は、第ｎ充電率の大きさを調節して充電電圧が充電上限電圧を超えないようにすることができる。つまり、要求される充電ＳＯＣが達成される時点でバッテリーの充電電圧が充電上限電圧に到達できるように充電率の大きさが調整されることができる。

図６は、一実施形態による実際充電時に適用される充電率およびｄｐｈｉｓｌと、充電電圧の変化を示すグラフである。

図６を参照すれば、各充電区間で一定の大きさの充電率でバッテリーが充電されると、ｄｐｈｉｓｌがｄｐｈｉｓｌ０より大きい値に全区間で維持され、充電電圧が急速に増加する。上述した方法を通して決められた充電区間および充電率は負極素材の特性によって決められた値として、数値モデリングを通して決められた、充電区間および充電率に関する最適なアルゴリズムが実際バッテリーに適用された後、バッテリーの工程偏差による誤差を減らすために充電区間の長さまたは充電率の大きさなどが細部的に調整されることができる。

図７は、一実施形態によるＬＣＯ／Ｎｉ−Ｓｎバッテリーセルに適用された充電区間および充電率を示すグラフであり、図８は、一実施形態によるＬＣＯ／Ｎｉ−Ｓｎバッテリーセルの充電電圧変化を比較したグラフであり、図９は、一実施形態によるＬＣＯ／Ｎｉ−ＳｎバッテリーセルのＳＥＩ薄膜の厚さの変化を示すグラフである。

図７Ａおよび図７Ｂのｘ軸はＳＯＣであり、ｙ軸はそれぞれＯＣＶおよび充電率の大きさを示す。図８において、ｘ軸は時間であり、ｙ軸はバッテリーセルの充電電圧である。図９におけるｘ軸は時間であり、ｙ軸は固体電解質界面（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、ＳＥＩ）の薄膜の厚さである。

図７および図８において、正極ＬＣＯ（ＬｉＣｏＯ_２）−負極Ｎｉ−Ｓｎ（Ｎｉ_３Ｓｎ_４）を採用したバッテリーセル（体積当たりの容量８００Ｗｈ／Ｌ）が一実施形態による充電方法により充電された。そして、負極のＯＣＶはＮｉ−Ｓｎ負極を利用したハーフセル（ｈａｌｆ−ｃｅｌｌ）の０．１Ｃの低率充電実験の結果から推定された。図７Ａを参照すれば、負極ＯＣＶの傾きの変化率に基づいて６つの充電区間が決定され、最後の６番目の充電区間の終点は定電圧区間の始点となる。バッテリーは、バッテリーの初期条件（３．０[Ｖ]、ＳＯＣ＝０、０８５）によって３番目の充電区間から充電が始まった。充電率は各充電区間で１８．２５Ｃ→９．８７Ｃ→３．４４Ｃ→１．４Ｃであり、最後に４．２[Ｖ]の定電圧が印加された。定電圧区間の完了条件は０．０５Ｃ電流以下である。そして、ｄｐｈｉｓｌは２×１０^−６[ｖ]に予め決定された。

図８を参照すれば、同一のバッテリーセルに定電流−定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式で充電される場合のバッテリーの充電電圧を比較している。ＬＣＯ／Ｎｉ−Ｓｎバッテリーセルでリチウムプレーティングが発生しない最大充電率は１．４１Ｃで、シミュレーションを通して予測され、この充電率でＬＣＯ／Ｎｉ−Ｓｎバッテリーセルを充電する場合の充電電圧が比較対象として表示されている。

図８を参照すれば、一実施形態によるバッテリー充電方法が適用されると、通常の定電流充電方式に比べて充電時間が５８％以上（４７．８分→２０分）短縮された。

そして、図９を参照すれば、バッテリーセル寿命の劣化が分かる指標のＳＥＩ薄膜の厚さ（つまり、ＳＥＩ増加量）も０．９[ｎｍ]であり、通常の定電流−定電圧充電方式の０．９２[ｎｍ]と類似の結果を示す。したがって、通常の定電流−定電圧充電方式と類似のサイクル寿命特性を有すると予想される。

図１０は、一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルに適用された充電区間を示すグラフであり、図１１は、一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルの容量の保有率間比較結果を示すグラフである。

図１０を参照すれば、負極物質としてグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、つまり、ＭＣＭＢ（Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｂｅａｄｓ）が使用されたバッテリーセルのＯＣＶ変化によって決められた充電区間が示されている（Ｓ_０：０．４５）。バッテリーセルの充／放電サイクルの繰り返し後の容量保有率（ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ）を調べるために、定電流−定電圧充電方式が適用された。バッテリーの初期状態は充電開始電圧３．０[Ｖ]およびＳＯＣ＝０．０４４が適用され、各充電区間に対応する充電率は２．４７Ｃ→１．９Ｃ→１．５８Ｃ→１．２４Ｃ→１．０６Ｃ→０．９４Ｃであり、７番目の充電区間には４．４[Ｖ]の定電圧がバッテリーに印加される。

図１１において、ｘ軸はバッテリーセルの充／放電回数（ｃｙｃｌｅ）を示し、ｙ軸はバッテリー実験で測定されたセルの容量保有率を示す。１Ｃ、２Ｃ、そして３Ｃの充電率が適用される場合が対照群に使用された。図１１を参照すれば、一実施形態によるバッテリー充電方法の場合、１４ｃｙｃｌｅが進められた以後、２Ｃおよび３Ｃ対比顕著に優れた容量保有率（９０％以上）を示した。そして、１Ｃの場合充電時間が１２０分であることに比べて、一実施形態によるバッテリー充電方法の場合８０分で、充電時間側面から１Ｃに比べて３３．３％向上された。

図１２Ａ乃至図１２Ｃは、一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルに適用された充電区間、充電率、そして時間によるｄｐｈｉｓｌの変化を示すグラフであり、図１３は、一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルの充電電圧変化を比較したグラフであり、図１４は、一実施形態によるＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルのＳＥＩ薄膜の厚さの変化を示すグラフである。

図１２Ａにおけるｘ軸はＳＯＣであり、ｙ軸はＯＣＶの大きさを示す。図１２Ｂおよび図１２Ｃにおけるｘ軸は時間であり、ｙ軸はそれぞれ充電率およびｄｐｈｉｓｌの大きさを示す。図１３において、ｘ軸は時間であり、ｙ軸はバッテリーセルの充電電圧である。図１４におけるｘ軸は時間であり、ｙ軸はＳＥＩ薄膜の厚さである。

図１２Ａ乃至図１２Ｃ、図１３および図１４において、正極ＬＣＯ（ＬｉＣｏＯ_２）−負極グラファイトを採用したバッテリーセル（体積当たりの容量８００Ｗｈ／Ｌ）が一実施形態による充電方法により充電された。図１２Ａを参照すれば、負極ＯＣＶの傾きの変化率に基づいて６つの充電区間が決定され（Ｓ_０：０．６）、最後の６番目の充電区間の終点は定電圧区間の始点となる。バッテリーは、バッテリーの初期条件３．０[Ｖ]、ＳＯＣ＝０、０３５によって２番目の充電区間から充電が始まった。充電率は各充電区間で８．２５Ｃ→４．９２Ｃ→３．７３Ｃ→２．７５Ｃ→２．３３５Ｃ→１．６３Ｃ→１．２５Ｃであり、最後に４．４[Ｖ]の定電圧が印加された。そして、ｄｐｈｉｓｌは２×１０^−６[ｖ]に予め決定された。

図１３を参照すれば、同一のバッテリーセルに定電流−定電圧方式で充電される場合のバッテリーの充電電圧と、パルス充電方式によるバッテリーの充電電圧を比較している。ＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルでリチウムプレーティングが発生しない最大充電率は１．３５Ｃであることがシミュレーションを通して予測されて、１．３５Ｃの充電率でＬＣＯ／グラファイトバッテリーセルを充電する場合の充電電圧が比較対象として表示されている。パルス充電方式の場合、２０回以上の数値実験遂行によって決められた、ローカル最適化（ｌｏｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）結果である。

図１３を参照すれば、一実施形態によるバッテリー充電方法が適用されると、通常の定電流充電方式に比べて充電時間が３８％以上（４７．７分→２９．５分）短縮され、パルス充電方式に比べても充電時間が約１４％程度（３４．３分→２９．５分）短縮された。

そして図１４を参照すれば、ＳＥＩ薄膜の厚さも２．１４[ｎｍ]であり、通常の定電流−定電圧充電方式の１．９１[ｎｍ]およびパルス充電方式の２．０３[ｎｍ]と類似の結果を示す。したがって、通常の定電流−定電圧充電方式およびパルス充電方式と類似のサイクル寿命特性を有すると予想される。

図１５は、一実施形態によるバッテリー充電装置を示すブロック図である。

図１５を参照すれば、一実施形態によるバッテリー充電装置１５００は、プロセッサー（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１５１０と、メモリ（ｍｅｍｏｒｙ）１５２０と、充電インターフェース１５３０とを含む。

メモリ１５２０はプロセッサー１５１０と連結されてプロセッサー１５１０を駆動するための多様な情報またはプロセッサー１５１０によって実行される少なくとも一つのプログラムを貯蔵できる。プロセッサー１５１０は本発明の実施形態で提案した機能、過程、または方法を実現することができる。つまり、一実施形態によるバッテリー充電装置１５００の動作はプロセッサー１５１０によって具現される。充電インターフェース１５３０はバッテリーと有線または無線で連結され、プロセッサー１５１０の制御によってバッテリーの充電量（充電状態または充電電圧）をモニターし、バッテリーの充電時に必要な電流および電圧をバッテリーに印加することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属することは当然である。

Claims (22)

1. バッテリーの充電方法であって、
   前記バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）と前記バッテリーの負極の開回路電圧（ＯＣＶ）の間の関数関係に基づいて予め決められた複数の充電区間のうち、前記バッテリーの現在充電率が位置する第１充電区間を決定する段階と、
   前記第１充電区間に対応する第１充電率で前記第１充電区間の間前記バッテリーを充電する段階とを含む、バッテリー充電方法。
2. 前記第１充電区間が終了すると、前記第１充電区間の次の区間である第２充電区間に対応する第２充電率で前記第２充電区間の間前記バッテリーを充電する段階をさらに含む、請求項１に記載のバッテリー充電方法。
3. 前記第１充電区間が複数の充電区間のうち最後の充電区間であるか、または、前記第１充電区間の次の区間である第２充電区間が前記最後の充電区間である場合に、前記バッテリーの充電電圧が予め決められた電圧値に到達したか否かをモニターする段階と、
   前記充電電圧が前記予め決められた電圧値に到達すれば、充電上限電圧を前記バッテリーに印加する段階とをさらに含む、請求項１又は２に記載のバッテリー充電方法。
4. 前記複数の充電区間は、前記複数の充電区間内に含まれる、前記関数関係の微分グラフの極小点または極大点を基準として適用される予め決められた高さを有するウィンドウによって決定され、前記予め決められた高さは充電プロセッサーの複雑度によって予め決定される、請求項１ないし３のうち何れか一項に記載のバッテリー充電方法。
5. 前記予め決められた高さは０．６より大きくない値に予め決定される、請求項４に記載のバッテリー充電方法。
6. 前記予め決められた高さが高いほど前記ウィンドウの幅が増加して前記複数の充電区間それぞれの長さが長くなり、前記予め決められた高さが低いほど前記ウィンドウの幅が減少して前記複数の充電区間それぞれの長さが短くなる、請求項４に記載のバッテリー充電方法。
7. 前記予め決められた高さが高いほど前記ウィンドウの幅が増加して前記複数の充電区間の個数が減り、前記予め決められた高さが低いほど前記ウィンドウの幅が減少して前記複数の充電区間の個数が増える、請求項４に記載のバッテリー充電方法。
8. 前記第１充電率の大きさは、前記第１充電区間の間一定に維持され、前記第１充電区間の終点で前記バッテリーの負極の電位と前記バッテリーの電解液の電位の差が予め決められた値より小さくなるように決められている、請求項１ないし７のうち何れか一項に記載のバッテリー充電方法。
9. 前記予め決められた値は、２×１０^−６[Ｖ]である、請求項８に記載のバッテリー充電方法。
10. 前記第１充電率の大きさは、前記第１充電区間の間一定に維持され、前記第１充電区間の間前記バッテリーの負極の電位と前記バッテリーの電解液の電位の差が常に０より大きくなるように決められている、請求項１ないし９のうち何れか一項に記載のバッテリー充電方法。
11. 前記第１充電率の大きさは、前記第２充電率の大きさより大きい、請求項２に記載のバッテリー充電方法。
12. バッテリーの充電装置であって、
    プロセッサーと、メモリと、充電インターフェースとを含み、
    前記プロセッサーは前記メモリに貯蔵されたプログラムを実行して、
    前記バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）と前記バッテリーの負極の開回路電圧（ＯＣＶ）の間の関数関係に基づいて予め決められた複数の充電区間のうち、前記バッテリーの現在容量が位置する第１充電区間を決定する段階と、
    前記第１充電区間に対応する第１充電率で前記第１充電区間の間前記バッテリーを充電する段階とを行う、バッテリー充電装置。
13. 前記プロセッサーは前記メモリに貯蔵されたプログラムを実行して、
    前記第１充電区間が終了すると、前記第１充電区間の次の区間である第２充電区間に対応する第２充電率で前記第２充電区間の間前記バッテリーを充電する段階をさらに行う、請求項１２に記載のバッテリー充電装置。
14. 前記プロセッサーは前記メモリに貯蔵されたプログラムを実行し、
    前記第１充電区間が複数の充電区間のうち最後の充電区間であるか、または、前記第１充電区間の次の区間である第２充電区間が前記最後の充電区間である場合に、前記バッテリーの充電電圧が予め決められた電圧値に到達したか否かをモニターする段階と、
    前記充電電圧が前記予め決められた電圧値に到達すれば、充電上限電圧を前記バッテリーに印加する段階とをさらに行う、請求項１２又は１３に記載のバッテリー充電装置。
15. 前記複数の充電区間は、前記複数の充電区間内に含まれる、前記関数関係の微分グラフの極小点または極大点を基準として適用される予め決められた高さを有するウィンドウによって決定され、前記予め決められた高さは充電プロセスの複雑度によって予め決定される、請求項１２ないし１４のうち何れか一項に記載のバッテリー充電装置。
16. 前記予め決められた高さは０．６より大きくない値に予め決定される、請求項１５に記載のバッテリー充電装置。
17. 前記予め決められた高さが高いほど前記ウィンドウの幅が増加して前記複数の充電区間それぞれの長さが長くなり、前記予め決められた高さが低いほど前記ウィンドウの幅が減少して前記複数の充電区間それぞれの長さが短くなる、請求項１５に記載のバッテリー充電装置。
18. 前記予め決められた高さが高いほど前記ウィンドウの幅が増加して前記複数の充電区間の個数が減り、前記予め決められた高さが低いほど前記ウィンドウの幅が減少して前記複数の充電区間の個数が増える、請求項１５に記載のバッテリー充電装置。
19. 前記第１充電率の大きさは、前記第１充電区間の間一定に維持され、前記第１充電区間の終点で前記バッテリーの負極の電位と前記バッテリーの電解液の電位の差が予め決められた値より小さくなるように決められている、請求項１２ないし１８のうち何れか一項に記載のバッテリー充電装置。
20. 前記予め決められた値は２×１０^−６[Ｖ]である、請求項１９に記載のバッテリー充電装置。
21. 前記第１充電率の大きさは、前記第１充電区間の間一定に維持され、前記第１充電区間の間前記バッテリーの負極の電位と前記バッテリーの電解液の電位の差が常に０より大きくなるように決められている、請求項１２ないし２０のうち何れか一項に記載のバッテリー充電装置。
22. 前記第１充電率の大きさは前記第２充電率の大きさより大きい、請求項１３に記載のバッテリー充電装置。

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