JP6454817B2 - 二次電池の充電条件調整装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電時に二次電池の温度上昇を予め予測することで、充電による発熱量が適正な水準に維持されるように充電条件を調整できる装置及び方法に関する。

本出願は、２０１５年８月２１日出願の韓国特許出願第１０−２０１５−０１１８１６７号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

二次電池は、電気化学的な酸化及び還元反応を通じて電気エネルギーを生成するものであって、幅広い範囲で多様な用途で用いられる。例えば、携帯電話、ラップトップパソコン、デジカメ、ビデオカメラ、タブレットパソコン、電動工具などのように持ち運び可能な装置；電気自転車、電気バイク、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気船、電気飛行機などのような各種電気駆動動力装置；新再生エネルギーを用いて発電した電力や余剰発電電力を貯蔵するときに使用される電力貯蔵装置；サーバーコンピューターと通信用基地局を含む各種情報通信装置に電力を安定的に供給するための無停電電源供給装置などに至るまで、二次電池の使用領域はますます拡がっている。

二次電池はその応用用途によって充電方式が変わる。スマートフォンや携帯電話のような携帯端末機に使用される小型二次電池は、別途の充電器によって充電される。また、電気駆動動力装置に使用される大型二次電池は、動力装置で自体生産される電力によって充電される。一例として、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載された大型二次電池は、エンジンと連結された発電機で生産される電力または自動車の減速時に生産される回生電力（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ）によって充電される。

二次電池は充電中に熱を発生させる。充電過程で発生する熱は殆どが二次電池の内部抵抗によって生じるジュール熱である。熱は伝導や対流を通じて二次電池の外部に発散され得る。しかし、外部に発散される熱量より二次電池で生じる熱量が大きければ、熱が二次電池内に累積し続けて二次電池の温度が継続的に上昇する。

二次電池はその温度が過度に上昇すれば、寿命が短くなる。二次電池の過熱は、電気化学反応に関与する化学種の物性を変性させるか、または、熱に脆弱な電池内部の高分子物質に対する物理的変形を引き起こすためである。一例として、二次電池が過熱されれば、正極と負極との間に介在された多孔性高分子分離膜が軟化しながら気孔の一部が閉鎖され、それにより二次電池の内部抵抗が上昇する恐れがある。内部抵抗の上昇は二次電池の充電容量を低下させる主な原因として作用する。

したがって、二次電池の温度が予め設定された臨界温度を超えれば、温度を下げるための適切な管理が必要となる。二次電池の温度は冷却メカニズムを通じて調節することができる。例えば、二次電池に水冷式または空冷式冷却手段を結合し、二次電池の温度が過度に上昇すれば、結合された冷却手段を作動させて二次電池の温度を適切な水準まで減少させることができる。

ところが、二次電池が搭載されるデバイスまたは装置の空間が狭い場合、冷却手段を二次電池に結合することができない。一例として、小型電気自動車に搭載される二次電池は、狭小な空間に搭載されるだけでなく、二次電池の搭載による重量の増加を最小化しなければならないため、ある程度の体積と重量を有する冷却手段と結合し難い。

このような環境で使用される二次電池は、空気に露出する面積を最大限増加させ、充電過程で生じる熱を大気を通じて効果的に放出するための構造的設計技術が必要である。

しかし、二次電池の構造的設計だけでは二次電池の温度を適正な水準に管理するのに限界がある。二次電池で発生した熱が大気中に放出されるとしても熱の累積が生じる状況があり得るためである。

したがって、本発明者らは、二次電池の充電過程で二次電池の温度が適正な水準を維持できるように、充電条件を動的に変化させるなどの追加的な補完技術が必要であることを認識した。

本発明は、上記のような従来技術に鑑みてなされたものであり、二次電池の温度に合わせて充電条件を可変的に制御することで、二次電池に結合される冷却メカニズムの有無に関係なく、二次電池の温度を適正な水準に維持できる装置及びその方法を提供することにその目的がある。
〔本発明の一態様〕
〔１〕 二次電池の充電条件調整装置であって、
二次電池の充電電流を測定する電流測定部と、
前記二次電池の現在温度を測定する温度測定部と、
前記電流測定部及び前記温度測定部と結合された制御部とを備えてなり、
前記制御部は、前記電流測定部及び前記温度測定部から測定結果の入力を受けて充電電流値及び現在温度値を決定し、
予め設定された基準時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から臨界温度まで上昇するのに必要な熱量を二次電池の内部抵抗を通じたジュール熱として発生できる充電予測電流を決定し、
前記二次電池の等価回路に前記充電予測電流が流れるときに予想される充電予測電圧を決定し、
前記充電予測電圧が予め設定された充電上限電圧より低い条件が成立すれば、充電上限電圧を前記充電予測電圧に低く調整するように構成されてなることを特徴とする、二次電池の充電条件調整装置。
〔２〕 前記二次電池の充電電流が流れる経路に設けられたスイッチ素子と、
前記二次電池の充電電圧を測定する電圧測定部とをさらに備えてなり、
前記制御部は、前記スイッチ素子及び前記電圧測定部と結合されてなり、
前記制御部は、前記電圧測定部から測定結果の入力を受けて二次電池の充電電圧値を決定し、前記充電電圧値が前記充電予測電圧に対応すれば、前記スイッチ素子をターンオフさせて二次電池の充電を遮断するように構成されてなることを特徴とする、〔１〕に記載の二次電池の充電条件調整装置。
〔３〕 前記等価回路モデルは、それぞれが相互直列で連結された直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路及び前記二次電池の充電状態によって電圧が変化する開放電圧源を含むことを特徴とする、〔１〕又は〔２〕に記載の二次電池の充電条件調整装置。
〔４〕 前記制御部は、下記〔数式Ｉ〕により、前記充電予測電圧を計算することを特徴とする、〔３〕に記載の二次電池の充電条件調整装置。
V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC)+ I*R*(1-exp(-t/RC)) 〔数式Ｉ〕
〔上記数式Ｉ中、
ｉは二次電池の等価回路に流れる電流であり、
Ｒ₀は直列抵抗の抵抗値であり、
ＲはＲＣ回路に含まれた抵抗の抵抗値であり、
ＣはＲＣ回路に含まれたコンデンサのキャパシタンス値であり、
Ｖ₀はＲＣ回路に形成される初期電圧値であり、
ｚは二次電池の充電状態であり、
ＯＣＶ（ｚ）は充電状態に対応する開放電圧である。〕
〔５〕 充電状態から開放電圧をルックアップできる充電状態−開放電圧ルックアップテーブルが保存されたメモリ部をさらに備えてなり、
前記制御部は、前記電流測定部を通じて二次電池の充電電流または放電電流を周期的に測定し、
測定された電流値をクーロンカウンティング法によって積算して二次電池の充電状態を決定し、
前記充電状態−開放電圧ルックアップテーブルから前記決定された充電状態に対応する開放電圧をマッピングすることにより、二次電池の開放電圧を決定するように構成されてなることを特徴とする、〔４〕に記載の二次電池の充電条件調整装置。
〔６〕 前記二次電池の外部温度を測定する外部温度測定部をさらに備えてなり、
前記制御部は、前記外部温度測定部を用いて二次電池の外部温度値を決定し、
前記制御部は、下記〔数式ＩＩ〕により、予め設定された時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から予め設定された臨界温度まで上昇するのに必要な下記〔数式ＩＩ〕で表される過熱予測熱量Ｑ^*を決定し、
Q^* = T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb]/[R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th]) 〔数式ＩＩ〕
〔上記数式ＩＩ中、
Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
ｔ^*は基準時間であり、
Ｔ_cは前記温度測定部を通じて測定された二次電池の現在温度であり、
Ｔ_ambは前記外部温度測定部を通じて測定された二次電池の外部温度であり、
Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
ｍは二次電池の重量である。〕
前記二次電池の内部抵抗を通じて前記過熱予測熱量Ｑ^*をジュール熱として発生できる電流値を計算し、計算された電流値を前記充電予測電流として決定するように構成されてなることを特徴とする、〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整装置。
〔７〕 前記二次電池の外部温度を測定する外部温度測定部をさらに備えてなり、
前記制御部は、前記外部温度測定部を用いて二次電池の外部温度値を決定し、
前記制御部は、下記〔数式III〕における電流変数Ｉに対して二分法アルゴリズムを適用することで、下記〔数式III〕により計算される値を近似的に充足する電流値を前記充電予測電流として決定するように構成されてなることを特徴とする、〔１〕〜〔６〕の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整装置。
Ｔ^*＝（Ｔ_c−Ｔ_amb−Ｒ_thＩ²Ｒ）exp（−ｔ＊／ｍＣ_pＲ_th）＋Ｔ_amb＋Ｒ_thＩ²Ｒ
〔数式III〕

〔上記数式III中、
Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
ｔ^*は基準時間であり、
Ｔ_cは前記温度測定部を通じて測定された二次電池の現在温度であり、
Ｔ_ambは前記外部温度測定部を通じて測定された二次電池の外部温度であり、
Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
ｍは二次電池の重量であり、
Ｒは二次電池の内部抵抗である。〕
〔８〕 前記制御部は、前記基準時間を変えることができるように構成されてなることを特徴とする、〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整装置。
〔９〕 二次電池の充電条件調整方法であって、
（ａ）二次電池の充電電流と現在温度を決定する段階と、
（ｂ）予め設定された基準時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から臨界温度まで上昇するのに必要な熱量を二次電池の内部抵抗を通じたジュール熱として発生できる充電予測電流を決定する段階と、
（ｃ）前記二次電池の等価回路に前記充電予測電流が流れるときに予想される充電予測電圧を決定する段階と、
（ｄ）前記充電予測電圧が予め設定された充電上限電圧より低い条件が成立すれば、充電上限電圧を前記充電予測電圧に低く調整する段階とを含んでなることを特徴とする、二次電池の充電条件調整方法。
〔１０〕 二次電池の充電電圧値を決定する段階と、
前記充電電圧値が前記充電予測電圧に対応すれば、充電電流が流れる線路に設けられたスイッチ素子をターンオフさせて二次電池の充電を遮断する段階とをさらに含んでなることを特徴とする、〔９〕に記載の二次電池の充電条件調整方法。
〔１１〕 前記等価回路モデルは、それぞれが相互直列で連結された直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び前記二次電池の充電状態によって電圧が変化する開放電圧源を備えてなることを特徴とする、〔９〕又は〔１０〕に記載の二次電池の充電条件調整方法。
〔１２〕 前記（ｃ）段階は、下記〔数式Ｉ〕により、前記充電予測電圧を計算する段階であることを特徴とする、〔１１〕に記載の二次電池の充電条件方法。
V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC) + I*R*(1-exp(-t/RC)) 〔数式Ｉ〕
〔上記数式Ｉ中、
ｉは二次電池の等価回路に流れる電流であり、
Ｒ₀は直列抵抗の抵抗値であり、
ＲはＲＣ回路に含まれた抵抗の抵抗値であり、
ＣはＲＣ回路に含まれたコンデンサのキャパシタンス値であり、
Ｖ₀はＲＣ回路に形成される初期電圧値であり、
ｚは二次電池の充電状態であり、
ＯＣＶ（ｚ）は充電状態に対応する開放電圧である。〕
〔１３〕 前記二次電池の外部温度値を測定する段階をさらに含んでなり、
前記（ｂ）段階は、下記数式を用いて、予め設定された時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から予め設定された臨界温度まで上昇するのに必要な下記〔数式ＩＩ〕で計算される過熱予測熱量Ｑ^*を決定する段階と、
Q^* = T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb]/[R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th]) 〔数式ＩＩ〕
〔上記数式ＩＩ中、
Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
ｔ^*は基準時間であり、
Ｔ_cは二次電池の現在温度であり、
Ｔ_ambは二次電池の外部温度であり、
Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
ｍは二次電池の重量である。〕
前記二次電池の内部抵抗を通じて前記過熱予測熱量Ｑ^*をジュール熱として発生できる電流値を計算し、計算された電流値を前記充電予測電流として決定する段階とを含んでなることを特徴とする、〔９〕〜〔１２〕の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整方法。
〔１４〕 前記二次電池の外部温度値を測定する段階をさらに含んでなり、
前記（ｂ）段階は、下記〔数式III〕における電流変数に対して二分法アルゴリズムを適用することで、下記〔数式III〕を満足する解に該当する電流値を前記充電予測電流として決定する段階を含むことを特徴とする、〔９〕〜〔１３〕の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整方法。
Ｔ^*＝（Ｔ_c−Ｔ_amb−Ｒ_thＩ²Ｒ）exp（−ｔ＊／ｍＣ_pＲ_th）＋Ｔ_amb＋Ｒ_thＩ²Ｒ
〔数式III〕
〔上記数式III中、
Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
ｔ^*は基準時間であり、
Ｔ_cは前記温度測定部を通じて測定された二次電池の現在温度であり、
Ｔ_ambは前記外部温度測定部を通じて測定された二次電池の外部温度であり、
Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
ｍは二次電池の重量であり、
Ｒは二次電池の内部抵抗である。〕
〔１５〕 前記基準時間を変える段階をさらに含むことを特徴とする、〔９〕〜〔１４〕の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整方法。

上記の課題を達成するため、二次電池の充電条件調整装置は、二次電池の充電電流を測定する電流測定部；前記二次電池の現在温度を測定する温度測定部；及び前記電流測定部及び前記温度測定部と結合された制御部を含み、前記制御部は、前記電流測定部及び前記温度測定部から測定結果の入力を受けて充電電流値及び現在温度値を決定し、予め設定された基準時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から臨界温度まで上昇するのに必要な熱量を二次電池の内部抵抗を通じたジュール熱として発生できる充電予測電流を決定し、前記二次電池の等価回路に前記充電予測電流が流れるときに予想される充電予測電圧を決定し、前記充電予測電圧が予め設定された充電上限電圧より低い条件が成立すれば、充電上限電圧を前記充電予測電圧に低く調整するように構成される。

望ましくは、前記充電条件調整装置は、前記二次電池の充電電流が流れる経路に設けられたスイッチ素子、及び前記二次電池の充電電圧を測定する電圧測定部をさらに含み、前記制御部は前記スイッチ素子及び前記電圧測定部と結合される。

望ましくは、前記制御部は、前記電圧測定部から測定結果の入力を受けて二次電池の充電電圧値を決定し、前記充電電圧値が前記充電予測電圧に対応すれば、前記スイッチ素子をターンオフさせて二次電池の充電を遮断するように構成される。

本発明において、前記等価回路モデルは、それぞれが相互直列で連結された直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路及び前記二次電池の充電状態によって電圧が変化する開放電圧源を含むことができる。

望ましくは、前記制御部は、下記数式Ｉから前記充電予測電圧を計算することができる。
V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC)+ I*R*(1-exp(-t/RC)) 〔数式Ｉ〕
（ここで、ｉは二次電池の等価回路に流れる電流、Ｒ₀は直列抵抗の抵抗値、ＲはＲＣ回路に含まれた抵抗の抵抗値、ＣはＲＣ回路に含まれたコンデンサのキャパシタンス値、Ｖ₀はＲＣ回路に形成される初期電圧値、ｚは二次電池の充電状態、ＯＣＶ（ｚ）は充電状態に対応する開放電圧を示す。）

他の態様によれば、前記充電条件調整装置は、充電状態から開放電圧をルックアップできる充電状態−開放電圧ルックアップテーブルが保存されたメモリ部をさらに含み、前記制御部は、前記電流測定部を通じて二次電池の充電電流または放電電流を周期的に測定し、測定された電流値をクーロンカウンティング（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｃｏｕｎｔｉｎｇ）法によって積算して二次電池の充電状態を決定し、前記充電状態−開放電圧ルックアップテーブルから前記決定された充電状態に対応する開放電圧をマッピングすることで二次電池の開放電圧を決定するように構成することができる。

一態様によれば、前記充電条件調整装置は、前記二次電池の外部温度を測定する外部温度測定部をさらに含み、前記制御部は前記外部温度測定部を用いて二次電池の外部温度値を決定し、前記制御部は、下記数式ＩＩから予め設定された時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から予め設定された臨界温度まで上昇するのに必要な過熱予測熱量（Ｑ^*）を決定するように構成され、前記二次電池の内部抵抗を通じて前記過熱予測熱量（Ｑ^*）をジュール熱として発生できる電流値を計算し、計算された電流値を前記充電予測電流として決定するように構成することができる。

Q^* = T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb]/[R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th]) 〔数式ＩＩ〕
（ここで、Ｔ^*は予め設定された臨界温度、ｔ^*は基準時間、Ｔ_cは前記温度測定部を通じて測定された二次電池の現在温度、Ｔ_ambは前記外部温度測定部を通じて測定された二次電池の外部温度、Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値、Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱、ｍは二次電池の重量を示す。）

他の態様によれば、前記充電条件調整装置は、前記二次電池の外部温度を測定する外部温度測定部をさらに含み、前記制御部は、前記外部温度測定部を用いて二次電池の外部温度値を決定し、下記数式IIIの電流変数Ｉに対して二分法アルゴリズム（ｂｉｓｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を適用することで、下記数式IIIを近似的に満足する解に該当する電流値を前記充電予測電流として決定するように構成することができる。

（ここで、Ｔ^*は予め設定された臨界温度、ｔ^*は基準時間、Ｔ_cは前記温度測定部を通じて測定された二次電池の現在温度、Ｔ_ambは前記外部温度測定部を通じて測定された二次電池の外部温度、Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値、Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱、ｍは二次電池の重量、Ｒは二次電池の内部抵抗を示す。）

望ましくは、前記制御部は、前記充電予測電圧が前記充電上限電圧以上であれば、前記充電上限電圧を初期設定値に維持するように構成することができる。
望ましくは、前記制御部は、前記基準時間を変えることができるように構成される。

上記の課題を達成するため、本発明による二次電池の充電条件調整方法は、二次電池の充電電流と現在温度を決定する段階；予め設定された基準時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から臨界温度まで上昇するのに必要な熱量を二次電池の内部抵抗を通じたジュール熱として発生できる充電予測電流を決定する段階；前記二次電池の等価回路に前記充電予測電流が流れるときに予想される充電予測電圧を決定する段階；及び前記充電予測電圧が予め設定された充電上限電圧より低い条件が成立すれば、充電上限電圧を前記充電予測電圧に低く調整する段階；を含む。

前記技術的課題は、本発明による二次電池の充電条件調整方法をプログラム化して書き込んだコンピューター可読の記録媒体によって達成することができる。

また、本発明による二次電池の充電条件調整装置は、二次電池管理システムの一部として含まれ得る。

また、本発明による二次電池の充電条件調整装置は、二次電池によって電力の供給を受ける多様な負荷に搭載され得る。前記負荷は、従来技術で二次電池の使用先として上述された多様なデバイス、装置及びシステムを含む。

本発明によれば、二次電池の温度を考慮して二次電池の充電条件を変えることで、二次電池の温度を適正なレベルに維持することができる。特に、二次電池に冷却メカニズムが結合されていなくても二次電池が過熱されることを防止することができる。また、二次電池の熱伝達環境に応じて充電条件が変わる基準を変更することで、二次電池の効果的な温度制御が可能である。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例による二次電池の充電条件調整装置の構成を概略的に示したブロック図である。 本発明の一実施例による二次電池の充電条件調整方法のフローを具体的に示したフロー図である。 本発明の一実施例による二次電池の等価回路を示した回路図である。 本発明の一実施例によって行われた実験例で測定したグラフであって、グラフ（ａ）は充電予測電流の変化を、グラフ（ｂ）は充電状態の変化を、グラフ（ｃ）は充電予測電圧の変化を、グラフ（ｄ）は二次電池の温度変化を示している。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

図１は、本発明の一実施例による二次電池の充電条件調整装置の構成を概略的に示したブロック図である。

図１を参照すれば、本発明による充電条件調整装置１００は、二次電池１１０に結合されて二次電池１１０の充電が遮断される充電上限電圧を可変的に調整できる制御装置であって、電圧測定部１２０、温度測定部１３０、電流測定部１４０、スイッチ素子１５０、制御部１６０及びメモリ部１７０を含む。

前記二次電池１１０は、充電条件が適応的に調整される最小単位の電池であって、電気的に直列及び／または並列で連結された複数の単位セルを含む。勿論、前記二次電池１１０が一つの単位セルのみを含む場合も本発明の範疇に含まれる。

前記単位セルは充放電を繰り返すことができればその種類に特に制限がなく、一例としてパウチ型リチウムポリマー二次電池であり得る。

前記二次電池１１０は多様な負荷装置に搭載されるが、一例として電気自動車やハイブリッド自動車に搭載された電池であり得る。

この場合、前記二次電池１１０は、自動車に搭載されたモジュール化された電池パックに含まれた単位セルの一部または全部を含み得る。

前記二次電池１１０は、充電装置１８０と選択的に結合され得る。前記充電装置１８０は、二次電池１１０が搭載される負荷装置の制御によって二次電池１１０に選択的に結合され得る。

前記充電装置１８０は充電専用で使用される充電器であり得る。他の例として、前記充電装置１８０は、前記二次電池１１０が搭載された負荷装置で充電電力を生産する装置、例えばエンジンと結合された発電機または自動車のブレーキと結合された回生充電装置であり得る。前記発電機はエンジンのクランク軸と結合して、クランク軸が回転するときに充電電力を生産する。そして、前記回生充電装置はブレーキ操作で自動車が減速するとき、ブレーキと連動して回生充電電力を生産する。前記発電機と前記回生充電装置は自動車技術分野で周知されているため、詳細な説明は省略する。

前記電圧測定部１２０、前記温度測定部１３０及び前記電流測定部１４０は、制御部１６０の統制によって二次電池１１０の電圧、温度及び電流を時間間隔を置いて周期的に測定し、測定結果を制御部１６０に提供する。前記測定結果はアナログ信号またはデジタル信号として制御部１６０に提供され得る。

前記電圧測定部１２０は電池技術分野で通常使用される電圧測定回路を含む。前記電圧測定回路は、一例として二次電池１１０の正極端子と負極端子との間の電圧差に相応する電圧信号を出力する差動増幅回路を含むことができる。前記電圧測定部１２０は、二次電池１１０の正極と負極との間に印加される電圧に相応する電圧信号を生成して制御部１６０に提供する。

前記温度測定部１３０は温度測定に使用される温度センサであって、例えばサーマルカプラーであり得る。前記温度測定部１３０は、二次電池１１０の温度に相応する電圧信号を生成して制御部１６０に提供する。

前記電流測定部１４０はセンス抵抗またはホールセンサであって、充電電流の大きさに相応する電圧信号を生成して制御部１６０に提供する。前記電流測定部１４０は充電電流だけでなく、放電電流の大きさも測定可能である。

一方、前記充電条件調整装置１００は、二次電池１１０の温度を測定する温度測定部１３０の外に、二次電池１１０の熱が発散される外部の温度を測定する外部温度測定部１３５をさらに含むことができる。前記外部温度測定部１３５は、温度測定部１３０と同じセンサ類で構成でき、外部の温度に相応する電圧信号を生成して制御部１６０に提供することができる。

前記制御部１６０は、各測定部１２０、１３０、１３５、１４０から測定結果が入力されれば、信号処理を通じて二次電池１１０の充電電圧値、現在温度値、外部温度値、充電電流値をそれぞれ決定してメモリ部１７０に保存する。

前記メモリ部１７０は半導体メモリ素子であって、前記制御部１６０によって生成されるデータを記録、消去、更新し、二次電池１１０の充電条件を調整するために必要なプログラムを記憶する。また、前記メモリ部１７０は、二次電池１１０の充電状態（ｚ）から開放電圧（ＯＣＶ）をルックアップできる充電状態−開放電圧ルックアップテーブルに関するデータを保存している。また、前記メモリ部１７０は、本発明を実施するときに使用される各種パラメーターの事前設定値を記憶している。

前記メモリ部１７０は、データの記録、消去、更新が可能であると知られた半導体メモリ素子であれば、その種類に特に制限がない。一例として、前記メモリ部１７０は、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスタなどであり得る。前記メモリ部１７０は、制御部１６０と物理的に分離していても良く、前記制御部１６０と一体に統合されていても良い。

前記スイッチ素子１５０は、充電電流が流れる線路に設けられるスイッチの一種である。前記スイッチ素子１５０は、一例として電磁石によって動作する接点を含むリレー素子であり得る。この場合、前記スイッチ素子１５０は、電磁石を駆動させるためのドライバ回路を含む。前記スイッチ素子１５０は、制御部１６０から制御信号の入力を受けてターンオンまたはターンオフする。

前記制御部１６０は、二次電池１１０の充電が行われる間、二次電池１１０の温度が適正な水準に維持されるように二次電池１１０の充電条件を可変的に調整することができる。

前記制御部１６０は、後述する制御ロジッグを実行するために当業界に周知されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、他のチップセット、論理回路、レジスタ、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含み得る。

また、前記制御ロジッグがソフトウェアとして具現されるとき、前記制御部１６０はプログラムモジュールの集合として具現され得る。このとき、各プログラムモジュールはメモリに保存され、コンピュータープロセッサによって実行され得る。前記メモリは、プロセッサの内部または外部にあり得、周知された多様なコンピューター部品でプロセッサと連結され得る。また、前記メモリは、本発明のメモリ部１７０に含まれ得る。また、前記メモリは装置の種類に関係なく情報が保存される装置を総称し、特定メモリ装置を称しない。

前記制御部１６０の多様な制御ロジッグは少なくとも１つが組み合わせられ、組み合わせられた制御ロジッグはコンピューター可読のコード体系に作成されてコンピューター可読の記録媒体に書き込まれ得る。前記記録媒体はコンピューターに含まれたプロセッサによってアクセス可能なものであれば、その種類に特に制限がない。一例として、前記記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスタ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピーディスク及び光データ記録装置を含む群から選択された少なくとも１つを含む。また、前記コード体系はキャリア信号で変調されて特定時点に通信キャリアに含まれ得、ネットワークで連結されたコンピューターに分散して保存されて実行され得る。また、前記組み合わせられた制御ロジッグを具現するための機能的なプログラム、コード及びコードセグメントは本発明が属する技術分野のプログラマーによって容易に推論できる。

前記制御部１６０は、二次電池１１０と電気的に結合できる電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）であるか、又は、前記電池管理システムに含まれる制御要素であり得る。

前記電池管理システムは、本発明が属する技術分野でＢＭＳと呼ばれるシステムを意味しても良いが、機能的観点で本発明に記載される少なくとも１つの機能を果たすシステムであれば、如何なるものであっても前記電池管理システムの範疇に含まれ得る。

図２は、前記制御部１６０によって行われる二次電池の充電条件調整方法を構成する制御ロジッグのフローを具体的に示したフロー図である。

以下、図２を参照して本発明による二次電池の充電条件調整方法を具体的に説明する。

まず、段階Ｓ１０において、前記制御部１６０はメモリ部１７０に保存されたプログラムを実行する。前記プログラムは、本発明による二次電池の充電条件調整方法を構成する各段階に係わるプログラムコードを含む。段階Ｓ１０の後に、段階Ｓ２０に進む。

段階Ｓ２０において、前記制御部１６０は時間インデックスｋを初期化する。すなわち、時間インデックスｋ値として１を付与する。ここで、時間インデックスｋは、図２に示されたアルゴリズムが繰り返された回数を示す変数である。例えば、時間インデックスｋが３であれば、アルゴリズムが３回目繰り返されていることを意味する。段階Ｓ２０の後には、段階Ｓ３０に進む。

段階Ｓ３０において、前記制御部１６０は温度測定部１３０及び電流測定部１４０を用いて二次電池１１０の現在温度値と充電電流値を決定する。このとき、前記温度測定部１３０及び電流測定部１４０は、制御部１６０の統制下で、二次電池１１０の現在温度と充電電流の大きさを測定し、温度測定の結果と電流測定の結果をアナログ信号またはデジタル信号の形態で制御部１６０に提供する。すると、制御部１６０は、信号処理過程、例えばＡ／Ｄ変換を通じて二次電池１１０の現在温度値と充電電流値を決定し、決定された値をメモリ部１７０に保存する。段階Ｓ３０の後は、段階Ｓ４０に進む。

段階Ｓ４０において、前記制御部１６０はメモリ部１７０に保存された充電電流値を参照して、充電モードが実行中であるか否かを判断する。すなわち、前記制御部１６０は、充電電流値が０でなければ充電モードが実行中であると判断し、充電電流値が０であれば二次電池１１０が充電中でないと判断する。

前記制御部１６０は、段階Ｓ４０の判断結果が「いいえ」であれば段階Ｓ３０に戻り、前記判断結果が「はい」であれば段階Ｓ５０に進む。

段階Ｓ５０において、前記制御部１６０は、メモリ部１７０に保存された二次電池１１０の現在温度値（Ｔ_c）を読み出して、二次電池１１０の現在温度（Ｔ_c）が充電条件の調整が必要な温度帯域の下限値（Ｔ_i）より大きいか否かを判断する。

前記制御部１６０は、段階Ｓ５０の判断結果が「いいえ」であれば段階Ｓ３０に戻り、前記判断結果が「はい」であれば段階Ｓ６０に進む。

段階Ｓ６０において、前記制御部１６０は熱力学理論による熱量計算式を用いて、二次電池１１０の現在温度（Ｔ_c）が予め設定された基準時間（ｔ^*）内に臨界温度（Ｔ^*）まで上昇するのに必要な過熱予測熱量（Ｑ^*）を決定する。

ここで、臨界温度（Ｔ^*）は、二次電池１１０が過熱されたと看做せる温度を意味し、二次電池１１０の仕様に合わせて予め設定され得る。

一実施例において、前記熱量計算式は次の数式１のように定義される。
Q^* = T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb]/[R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th]) 〔数式１〕

数式１は、次のような過程を通じて誘導される。
熱力学理論によれば、定圧比熱がＣ_p、温度がＴ_c及び重量がｍである二次電池１１０において、Ｑほどの熱が発生し、該熱が周辺に伝導されるとするとき、時間の変化（ｄｔ）と二次電池１１０の温度変化（ｄＴ）との間には下記数式２のような微分方程式が成立する。

（ここで、Ｔ_cは二次電池の現在温度；Ｔ_ambは二次電池と接触している周辺の温度；Ｒ_thは二次電池とその周辺との間の熱抵抗であって、実験を通じて予め測定される値；Ｃ_pは二次電池の定圧比熱であって、実験を通じて予め測定される値；ｍは二次電池の質量を示す。）

次に、数式２を時間に対して積分すれば、二次電池１１０でＱほどの熱が発生した時点を基準に任意の時間ｔが経過したとき、二次電池１１０の温度値を示す温度変化方程式として次の数式３が得られる。

（ここで、Ｃ₀＝Ｔ_c−Ｔ_amb−Ｒ_thＱである。）

次いで、数式３において、時間変数ｔ及び温度変数Ｔにそれぞれ予め設定された基準時間（ｔ^*）及び臨界温度（Ｔ^*）を代入した後、Ｑに対して整理すれば、二次電池１１０の現在温度（Ｔ_c）が予め設定された基準時間（ｔ^*）内に臨界温度（Ｔ^*）まで上昇するために必要な過熱予測熱量（Ｑ^*）を示す数式１が得られる。

一方、前記制御部１６０は、過熱予測熱量（Ｑ^*）を決定するとき、外部温度値を用いなければならない。したがって、前記制御部１６０は、段階Ｓ３０において外部温度測定部１３５を用いて二次電池１１０の外部温度を測定しメモリ部１７０に保存して、前記過熱予測熱量（Ｑ^*）を決定するときに参考することができる。

前記制御部１６０は、段階Ｓ６０で過熱予測熱量（Ｑ^*）を決定してから段階Ｓ７０に進む。

段階Ｓ７０において、前記制御部１６０は熱量と電流との間の関係を示す下記数式４を用いて、段階Ｓ６０で決定した過熱予測熱量（Ｑ^*）を発生させるのに必要な充電予測電流（Ｉ_Q*）の大きさを決定する。

Ｑ＝Ｉ²＊Ｒ 〔数式４〕
（ここで、Ｑは二次電池の発熱量、Ｉは充電電流の大きさ、Ｒは二次電池の内部抵抗値を示す。）

すなわち、数式４の変数Ｑ及びＲに過熱予測熱量（Ｑ^*）及び実験を通じて予め設定された二次電池の内部抵抗値を代入すれば、基準時間（ｔ^*）内に二次電池１１０の現在温度（Ｔ_c）を臨界温度（Ｔ^*）まで上昇させるのに必要な過熱予測熱量（Ｑ^*）を発生できる充電予測電流（Ｉ_Q*）値を決定することができる。段階Ｓ７０の後には段階Ｓ８０に進む。

段階Ｓ８０において、前記制御部１６０は、二次電池１１０の等価回路に段階Ｓ７０で決定された充電予測電流（Ｉ_Q*）が瞬間的に流れたとき、二次電池１１０の正極と負極との間に形成される充電予測電圧（Ｖ^*）を決定する。ここで、前記充電予測電流（Ｉ _Q*）が流れる時間は数秒以内の範囲で予め設定され得る。望ましくは、前記充電予測電流（Ｉ_Q*）が流れる時間は、図２に示されたアルゴリズムが繰り返される周期に該当する時間値（例えば、１秒）に予め設定され得る。

一実施例において、前記等価回路は、図３に示されたように、二次電池１１０の充電状態（ｚ）によって電圧が変化する開放電圧源２００と、二次電池１１０の内部抵抗（Ｒ₀）を示す直列抵抗２１０と、二次電池１１０の分極特性をモデリングする少なくとも１つのＲＣ回路２２０を含む。勿論、本発明は、二次電池１１０の等価回路に含まれた回路要素の種類とその連結関係によって限定されない。

一実施例において、前記充電予測電圧（Ｖ^*）は前記等価回路から誘導された下記数式５の電圧計算式によって決定され得る。
V=OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC)+ i*R*(1-exp(-t/RC)) 〔数式５〕

数式５において、ＯＣＶ（ｚ）は二次電池１１０の充電状態（ｚ）に対応する開放電圧を示す。前記開放電圧値は、メモリ部１７０に予め保存されている充電状態−開放電圧ルックアップテーブルを参照して決定され得る。前記充電状態−開放電圧ルックアップテーブルは、二次電池１１０の放電実験を通じて予め定義され得る。

前記制御部１６０は、電流測定部１４０を用いて二次電池１１０の充電電流または放電電流を周期的に測定し、測定された電流値を積算し、積算された電流量と二次電池１１０の満充電容量との間の相対的比率を決定することで、二次電池１１０の充電状態（ｚ）を決定することができる。このような充電状態（ｚ）の決定過程は、図２に示されたアルゴリズムとは独立的に行われ得る。勿論、充電状態（ｚ）の計算アルゴリズムが図２に示されたアルゴリズムに統合されてもよい。上記のような電流積算による二次電池１１０の充電状態計算法はクーロンカウンティング法という名称で周知されているため、これ以上の詳しい説明は省略する。

数式５において、「ｉ^*Ｒ₀」は二次電池１１０の等価回路に電流（ｉ）が流れたとき、直列抵抗２１０の両端に形成される電圧の大きさを示す。Ｒ₀は直列抵抗２１０の抵抗値を示し、実験を通じて予め設定され得る。

数式５の「Ｖ₀＊ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）＋ｉ＊Ｒ＊（１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ））」は、ＲＣ回路２２０に電流（ｉ）が流れるとき、ＲＣ回路２２０に形成される電圧の大きさを示す。ＲＣ回路２２０の両端に形成される電圧は時間に応じて変化する。

一実施例において、段階Ｓ８０で充電予測電圧（Ｖ^*）を決定するとき、変数ｔには予め設定された数秒以内の時間値を代入することができる。望ましくは、前記変数ｔには図２に示されたアルゴリズムが繰り返される周期に該当する時間値（例えば、１秒）を代入することができる。また、ｉにはＳ７０段階で決定した充電予測電流（Ｉ_Q*）値を割り当てることができる。

数式５において、ＲとＣはＲＣ回路２２０に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値とキャパシタンス値を示し、実験を通じて予め設定されるパラメーターである。

数式５において、Ｖ₀はＲＣ回路２２０に電流（ｉ）が流れる前にＲＣ回路２２０に形成された初期電圧を示す。Ｖ₀の初期値は０に設定する。また、図２の計算アルゴリズムが周期的に実行される度に、直前の計算サイクルで計算されたＲＣ回路の電圧値を更新された値としてＶ₀に割り当てることができる。

段階Ｓ８０で充電予測電圧（Ｖ^*）が決定されれば、後続段階としてＳ９０段階が行われる。

段階Ｓ９０において、前記制御部１６０は、充電予測電圧（Ｖ^*）が二次電池１１０の充電上限電圧（Ｖ_limit）以上であるか否かを決定する。前記充電上限電圧（Ｖ_limit）は二次電池１１０が過充電状態に入る境界電圧値であって、二次電池１１０の仕様に合わせて予め設定され得る。

前記制御部１６０は、段階Ｓ９０での判断結果が「はい」であれば、段階Ｓ９５で充電上限電圧（Ｖ_limit）を本来の値にそのまま維持させる。その後、前記制御部１６０は、段階Ｓ１００で時間インデックスｋを１ほど増加させた後、段階Ｓ１１０で二次電池１１０がキーオフ状態であるか否かを確認する。

ここで、キーオフ状態とは、二次電池１１０が無負荷状態、すなわち充電または放電が実質的に中断された状態にある場合を言う。

前記制御部１６０は、段階Ｓ１１０で電流測定部１４０を通じて二次電池１１０の充電または放電電流の大きさを測定し、測定された電流の大きさが実質的に０であれば、二次電池１１０がキーオフ状態であると判断することができる。

前記制御部１６０は、段階Ｓ１１０での判断結果が「いいえ」であれば、すなわち二次電池１１０の状態が無負荷状態でなければ、増加された時間インデックスを基準に図２に示されたアルゴリズムを再度繰り返すため、段階Ｓ３０にプロセスを戻す。その後、上述した段階がもう一度繰り返される。一方、前記制御部１６０は、段階Ｓ１１０での判断結果が「はい」であれば、すなわち二次電池１１０が無負荷状態にあると判断されれば、図２に示されたアルゴリズムを終了する。

一方、前記制御部１６０は、段階Ｓ９０での判断結果が「いいえ」であれば、すなわち、充電予測電圧（Ｖ^*）が充電上限電圧（Ｖ_limit）の初期設定値より小さければ、段階Ｓ１２０で二次電池１１０の充電上限電圧（Ｖ_limit）を段階Ｓ８０で決定した充電予測電圧（Ｖ^*）に変更する。その後、前記制御部１６０は、段階Ｓ１００で時間インデックスｋを１ほど増加させた後、段階Ｓ１１０で二次電池１１０がキーオフ状態であるか否かを確認する。もし、段階Ｓ１１０における判断結果が「いいえ」であれば、すなわち二次電池１１０の状態が無負荷状態でなければ、増加された時間インデックスを基準に図２に示されたアルゴリズムを再度繰り返すため、段階Ｓ３０にプロセスを戻す。その後は、上述した段階がもう一度繰り返される。

本発明において、前記制御部１６０は、二次電池１１０の充電電圧が充電上限電圧（Ｖ_limit）に到達すれば、二次電池１１０の充電を遮断する制御を図２に示された制御アルゴリズムとは別途に行うことができる。

すなわち、前記制御部１６０は、一定時間間隔を置いて電圧測定部１２０を用いて二次電池１１０の充電電圧値を決定し、メモリ部１７０に保存することができる。また、前記制御部１６０は、現在時点で決定された充電電圧値が充電上限電圧（Ｖ_limit）に到達すれば、スイッチ素子１５０に制御信号を出力してスイッチ素子１５０をターンオフさせることで、二次電池の充電を遮断する。充電が遮断されれば、二次電池１１０の充電発熱が中断されるため、二次電池１１０の温度がそれ以上増加することを防止することができる。

前記充電上限電圧（Ｖ_limit）は、段階Ｓ８０で決定された充電予測電圧（Ｖ^*）が二次電池１１０の仕様として予め設定された充電上限電圧（Ｖ_limit）より小さければ、段階Ｓ１２０で充電上限電圧（Ｖ_limit）が充電予測電圧（Ｖ^*）に変更される。すなわち、充電上限電圧（Ｖ_limit）が本来設定された初期値より低くなる。したがって、前記制御部１６０は通常の場合より低い電圧で二次電池１１０の充電を遮断する。このような場合は、普通二次電池１１０の充電による発熱量が多く、充電が続けられれば二次電池１１０の温度が過熱区間に入る可能性があるときである。

一方、二次電池１１０の温度が再び適正な水準に低くなれば、Ｓ７０段階で決定される充電電流値（Ｉ_Q*）が増加するため、充電予測電圧（Ｖ^*）が再び本来の充電上限電圧（Ｖ_limit）に徐々に近接する。これによって、二次電池１１０の充電が遮断される電圧も本来の充電上限電圧（Ｖ_limit）に収束する。また、二次電池１１０の温度がさらに安定化すれば、段階Ｓ８０で決定した充電予測電圧（Ｖ^*）が充電上限電圧（Ｖ_limit）の初期値以上に増加する。このときからは初期値に設定された充電上限電圧（Ｖ_limit）で二次電池１１０の充電が再度遮断される。

図２に示されたアルゴリズムが周期的に繰り返されれば、二次電池１１０の温度が過度に上昇する可能性がある場合、二次電池１１０の充電遮断が初期に設定された充電上限電圧（Ｖ_limit）より低い電圧条件で行われる。したがって、二次電池１１０に冷却メカニズムが結合されているか否かにかかわらず、二次電池１１０の過熱を効果的に防止することができる。

一方、本発明において、前記充電予測電流（Ｉ_Q*）は、数式３の温度変化方程式に含まれた電流変数Ｉに対して二分法アルゴリズムを適用して決定することもできる。

すなわち、前記制御部１６０は、数式３の温度変化方程式に予め設定された基準時間（ｔ^*）値と臨界温度（Ｔ^*）を代入した後、電流値を変化させながら下記数式６が満たされる電流値を近似的に見つけて該当値を充電予測電流（Ｉ_Q*）値として決定することができる。

参考までに、下記数式６は、数式３のＱにＩ²Ｒを代入して得られたものであって、電流Ｉの関数である。

数式６に二分法アルゴリズムを適用して充電予測電流（Ｉ_Q*）値を決定する過程は、以下のようである。
まず、前記制御部１６０は、現在の時間インデックスｋで測定した充電電流値（Ｉ_k）とこれより十分大きい電流値（Ｉ_k+）を二分法アルゴリズムの境界条件として設定する。

前記境界条件において、Ｉ_kは下限値、Ｉ_k+は上限値に該当する。前記制御部１６０は少なくとも下記数式７が満たされるようにＩ_k+を決定することが望ましい。
［Ｆ（Ｉ_lower）−Ｔ＊］［Ｆ（Ｉ_upper）−Ｔ＊］＜０ 〔数式７〕

数式７において、関数Ｆは数式６を示し、関数の入力変数に代入されたｌ_lowerは境界条件の下限値、関数の入力変数に代入されたＩ_upperは境界条件の上限値を示す。数式７が満たされれば、前記境界条件内に数式６を満足する解に該当する電流値、すなわち充電予測電流値（Ｉ_Q*）が含まれていることを意味する。

次いで、前記制御部１６０は、前記境界条件の平均値であるＩ_k__medianを基準に左側と右側に境界条件をさらに設定する。すなわちＩ_kとＩ_k__medianとの間、そしてＩ_k__medianとＩ_k+との間を新たな境界条件としてそれぞれ設定する。

その後、前記制御部１６０は、Ｉ_kとＩ_k__medianとの間の境界条件とＩ_k__medianとＩ_k+との間の境界条件のうち、数式７を満たす境界条件がどれであるかを識別する。

もし、Ｉ_kとＩ_k__medianとの間の境界条件が数式７を満たせば、Ｉ_kとＩ_k__medianとの間に解が含まれており、Ｉ_k__medianとＩ_k+との間の境界条件が数式７を満たせば、Ｉ_k__medianとＩ_k+との間に解が含まれていることを意味する。

前記制御部１６０は、解が存在する電流の新たな境界条件が識別されれば、識別された境界条件の上限値と下限値との平均値を基準に境界条件を再度２つに分け、２つの境界条件の何れが数式７を満たす境界条件であるかを再度決定する。

前記制御部１６０は、上記のように解が含まれた境界条件が決定される度に境界条件の平均値を基準に境界条件をさらに２つに分け、解が含まれた境界条件を再度決定する過程を繰り返すことで、解が含まれた境界条件の幅を臨界値未満（例えば、０．００１アンペア）まで減少させる。

その後、前記制御部１６０は、臨界値未満の幅に狭くなった境界条件の上限値と下限値との平均値を、数式６を近似的に満たす解に該当する電流値、すなわち充電予測電流（Ｉ_Q*）値として決定することができる。

本発明が上述した代替例を採用する場合、図２に示されたアルゴリズムから段階Ｓ６０は省略でき、段階Ｓ７０は二分法アルゴリズムを用いて充電予測電流（Ｉ_Q*）値を決定する段階に代替でき、その他の段階は実質的に同様に維持することができる。

以下、実験例を挙げて本発明の効果を説明する。本明細書で説明する実験例は本発明の理解を助けるためのものであって、本発明の範囲が実験例によって限定されないことは自明である。

まず、動作電圧範囲が２．１Ｖ〜２．４７Ｖ、容量が１０Ａｈであるパウチ型リチウムポリマー二次電池を充放電シミュレーターに取り付けた。そして、電気自動車の都心走行状況を仮定したドライビングプロファイルに従って二次電池をパルス充放電させながら、特に充電中には本発明を適用して充電予測電圧（Ｖ^*）を用いて充電上限電圧（Ｖ_limit）を調整した。二次電池は電気自動車が減速するとき生成される回生電力によって充電されることにして充放電実験を模写した。充放電実験を行う間、充電電流が充放電シミュレーターから二次電池に印加されても、二次電池の充電電圧が充電上限電圧（Ｖ_limit）に到達すれば、充放電シミュレーターと二次電池との間のスイッチをターンオフさせて充電を直ちに遮断した。そのため、スイッチの動作を制御する制御器をスイッチに連結した。また、本発明で使用するパラメーターの１つである基準時間（ｔ^*）値を３００秒、６００秒及び１２００秒に設定し、それぞれの基準時間（ｔ^*）別に、同一都心ドライビングパターン下で、充放電実験を独立的に行った。

図４は、本実験を通じて得た充電予測電流Ｉ_Q*の変化（グラフ（ａ））、二次電池の充電状態（ｚ）の変化（グラフ（ｂ））、充電予測電圧（Ｖ＊）の変化（グラフ（ｃ））及び二次電池の温度変化（グラフ（ｄ））を示したグラフである。

図４において、細い実線グラフは基準時間（ｔ^*）を３００秒に設定した場合、太い実線グラフは基準時間（ｔ^*）を６００秒に設定した場合、点線グラフは基準時間（ｔ^*）を１２００秒に設定した場合を示す。

図４を参照すれば、二次電池の温度が経時的に増加しながら、充電予測電流（Ｉ_Q*）と充電予測電圧（Ｖ^*）も共に減少することが確認できる。その理由は、二次電池の温度が上がれば、過熱予測熱量（_Q*）が減少し、充電予測電流（Ｉ_Q*）も減少し、二次電池の等価回路を用いて充電予測電流（Ｉ_Q*）から計算される充電予測電圧（Ｖ^*）も減少するためである。

本実験において、充電上限電圧は２．４７Ｖに設定した。したがって、充電パルスが二次電池に印加される間、充電予測電圧（Ｖ^*）が２．４７Ｖより低いときは充電上限電圧が充電予測電圧に低く調節されるため、二次電池の電圧が充電予測電圧より高ければ充電が直ちに遮断された。したがって、充放電シミュレーターによって充電電流が二次電池に印加されても二次電池は充電されなかった。

一方、グラフ（ａ）及び（ｃ）は、基準時間が増加するほど充電予測電流（Ｉ_Q*）及び充電予測電圧（Ｖ^*）の減少程度がより大きいことを見せている。基準時間が増加すれば、二次電池の温度が同一であっても過熱予測熱量が減少するためである。

本発明によれば、充電予測電圧（Ｖ^*）が低いほど、より低い電圧水準で二次電池の充電が遮断される。したがって、同じ充放電条件で二次電池が充放電されても、二次電池の充電量が変わり、二次電池の放電量ほど充電されないため、二次電池の充電状態は徐々に０に収束する。また、二次電池の充電状態は基準時間が長いほど速く０に収束するが、これは基準時間が長いほど、基準時間が短いときより、充電電流の遮断がより頻繁に起きるためである。

また、図４に示されたように、二次電池の温度が徐々に増加すれば、充電予測電流（Ｉ_Q*）と充電予測電圧（Ｖ^*）も共に減少する。したがって、二次電池の温度が高いほど、二次電池の充電がより低い電圧レベルで遮断されるため、二次電池の温度もその増加幅が段々緩和される。その結果、二次電池の充電状態（ｚ）が０になるまで充放電実験が行われても、二次電池の温度は適切なレベルを維持することができる。

二次電池の充放電が行われるときの温度変化は二次電池の設置環境によって異なる。本実験結果は、二次電池から発生する熱が外部によく発散される環境に二次電池が設置される場合は、基準時間を小さく設定することが望ましいということを示唆する。また、二次電池から発生する熱をよく発散できない環境に二次電池が設置される場合は、基準時間を相対的に長く設定して、二次電池の充電時に発生する熱を抑制することが望ましいという点も示唆する。

したがって、本発明において、前記制御部１６０は、二次電池１１０の温度増加速度に合わせて基準時間を変えることができる。すなわち、温度増加速度に比例して基準時間を増加させることができる。

本発明は、二次電池が冷却メカニズムと結合されていない無冷却二次電池に適用する場合、特に有用である。しかし、冷却メカニズムの有無と関係なく、如何なる二次電池にも本発明を適用できることは、本発明が属した技術分野で通常の知識を持つ者に自明である。

本出願の多様な実施様態の説明において、「〜部」と称した構成要素は物理的に区分される要素ではなく、機能的に区分される要素であると理解せねばならない。したがって、それぞれの構成要素は他の構成要素と選択的に統合されるか、又は、それぞれの構成要素が制御ロジッグの効率的な実行のためにサブ構成要素に分割され得る。しかし、構成要素が統合または分割されても機能の同一性が認められれば、統合または分割された構成要素も本発明の範囲内に属すると解釈されねばならないことは当業者にとって自明である。

以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

本発明によれば、二次電池の温度を考慮して二次電池の充電条件を変えることで、二次電池の温度を適正なレベルに維持することができる。特に、二次電池に冷却メカニズムが結合されていなくても、二次電池が過熱されることを防止することができる。また、二次電池の熱伝達環境に合わせて充電条件が変わる基準を変更することで、二次電池の効果的な温度制御が可能である。

Claims (15)

1. 二次電池の充電条件調整装置であって、
   二次電池の充電電流を測定する電流測定部と、
   前記二次電池の現在温度を測定する温度測定部と、
   前記電流測定部及び前記温度測定部と結合された制御部とを備えてなり、
   前記制御部は、前記電流測定部及び前記温度測定部から測定結果の入力を受けて充電電流値及び現在温度を決定し、
   予め設定された基準時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から臨界温度まで上昇するのに必要な熱量を二次電池の内部抵抗を通じたジュール熱として発生できる充電予測電流を決定し、
   前記二次電池の等価回路に前記充電予測電流が流れるときに予想される充電予測電圧を決定し、
   前記充電予測電圧が予め設定された充電上限電圧より低い条件が成立すれば、充電上限電圧を前記充電予測電圧に低く調整するように構成されてなることを特徴とする、二次電池の充電条件調整装置。
2. 前記二次電池の充電電流が流れる経路に設けられたスイッチ素子と、
   前記二次電池の充電電圧を測定する電圧測定部とをさらに備えてなり、
   前記制御部は、前記スイッチ素子及び前記電圧測定部と結合されてなり、
   前記制御部は、前記電圧測定部から測定結果の入力を受けて二次電池の充電電圧値を決定し、前記充電電圧値が前記充電予測電圧に対応すれば、前記スイッチ素子をターンオフさせて二次電池の充電を遮断するように構成されてなることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の充電条件調整装置。
3. 前記等価回路は、それぞれが相互直列で連結された直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路及び前記二次電池の充電状態によって電圧が変化する開放電圧源を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の二次電池の充電条件調整装置。
4. 前記制御部は、下記〔数式Ｉ〕により、前記充電予測電圧を計算することを特徴とする、請求項３に記載の二次電池の充電条件調整装置。
   V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC)+ i*R*(1-exp(-t/RC)) 〔数式Ｉ〕
   〔上記数式Ｉ中、
   ｉは前記等価回路に流れる電流であり、
   Ｒ₀は直列抵抗の抵抗値であり、
   ＲはＲＣ回路に含まれた抵抗の抵抗値であり、
   ＣはＲＣ回路に含まれたコンデンサのキャパシタンス値であり、
   Ｖ₀はＲＣ回路に形成される初期電圧値であり、
   ｚは二次電池の充電状態であり、
   ｔは前記等価回路に電流ｉが流れた時間であり、
   ＯＣＶ（ｚ）は充電状態に対応する開放電圧である。〕
5. 充電状態から開放電圧をルックアップできる充電状態−開放電圧ルックアップテーブルが保存されたメモリ部をさらに備えてなり、
   前記制御部は、前記電流測定部を通じて二次電池の充電電流または放電電流を周期的に測定し、
   測定された電流値をクーロンカウンティング法によって積算して二次電池の充電状態を決定し、
   前記充電状態−開放電圧ルックアップテーブルから前記決定された充電状態に対応する開放電圧をマッピングすることにより、二次電池の開放電圧を決定するように構成されてなることを特徴とする、請求項４に記載の二次電池の充電条件調整装置。
6. 前記二次電池の外部温度を測定する外部温度測定部をさらに備えてなり、
   前記制御部は、前記外部温度測定部を用いて二次電池の外部温度を決定し、
   前記制御部は、下記〔数式ＩＩ〕により、予め設定された時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から予め設定された臨界温度まで上昇するのに必要な下記〔数式ＩＩ〕で表される過熱予測熱量Ｑ^*を決定し、
   Q^* = [T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb]/[R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th])] 〔数式ＩＩ〕
   〔上記数式ＩＩ中、
   Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
   ｔ^*は基準時間であり、
   Ｔ_cは前記温度測定部を通じて測定された二次電池の現在温度であり、
   Ｔ_ambは前記外部温度測定部を通じて測定された二次電池の外部温度であり、
   Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
   Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
   ｍは二次電池の重量である。〕
   前記二次電池の内部抵抗を通じて前記過熱予測熱量Ｑ^*をジュール熱として発生できる電流値を計算し、計算された電流値を前記充電予測電流として決定するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整装置。
7. 前記二次電池の外部温度を測定する外部温度測定部をさらに備えてなり、
   前記制御部は、前記外部温度測定部を用いて二次電池の外部温度を決定し、
   前記制御部は、下記〔数式III〕における電流変数Ｉに対して二分法アルゴリズムを適用することで、下記〔数式III〕により計算される値を近似的に充足する電流値を前記充電予測電流として決定するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整装置。
   〔上記数式III中、
   Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
   ｔ^*は基準時間であり、
   Ｔ_cは前記温度測定部を通じて測定された二次電池の現在温度であり、
   Ｔ_ambは前記外部温度測定部を通じて測定された二次電池の外部温度であり、
   Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
   Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
   ｍは二次電池の重量であり、
   Ｒは二次電池の内部抵抗である。〕
8. 前記制御部は、前記基準時間を変えることができるように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整装置。
9. 二次電池の充電条件調整方法であって、
   （ａ）二次電池の充電電流と現在温度を決定する段階と、
   （ｂ）予め設定された基準時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から臨界温度まで上昇するのに必要な熱量を二次電池の内部抵抗を通じたジュール熱として発生できる充電予測電流を決定する段階と、
   （ｃ）前記二次電池の等価回路に前記充電予測電流が流れるときに予想される充電予測電圧を決定する段階と、
   （ｄ）前記充電予測電圧が予め設定された充電上限電圧より低い条件が成立すれば、充電上限電圧を前記充電予測電圧に低く調整する段階とを含んでなることを特徴とする、二次電池の充電条件調整方法。
10. 二次電池の充電電圧値を決定する段階と、
    前記充電電圧値が前記充電予測電圧に対応すれば、充電電流が流れる線路に設けられたスイッチ素子をターンオフさせて二次電池の充電を遮断する段階とをさらに含んでなることを特徴とする、請求項９に記載の二次電池の充電条件調整方法。
11. 前記等価回路は、それぞれが相互直列で連結された直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び前記二次電池の充電状態によって電圧が変化する開放電圧源を備えてなることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の二次電池の充電条件調整方法。
12. 前記（ｃ）段階は、下記〔数式Ｉ〕により、前記充電予測電圧を計算する段階であることを特徴とする、請求項１１に記載の二次電池の充電条件調整方法。
    V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC) + i*R*(1-exp(-t/RC)) 〔数式Ｉ〕
    〔上記数式Ｉ中、
    ｉは前記等価回路に流れる電流であり、
    Ｒ₀は直列抵抗の抵抗値であり、
    ＲはＲＣ回路に含まれた抵抗の抵抗値であり、
    ＣはＲＣ回路に含まれたコンデンサのキャパシタンス値であり、
    Ｖ₀はＲＣ回路に形成される初期電圧値であり、
    ｚは二次電池の充電状態であり、
    ｔは前記等価回路に電流ｉが流れた時間であり、
    ＯＣＶ（ｚ）は充電状態に対応する開放電圧である。〕
13. 前記二次電池の外部温度を測定する段階をさらに含んでなり、
    前記（ｂ）段階は、下記〔数式ＩＩ〕を用いて、予め設定された時間の間に二次電池の温度が前記現在温度から予め設定された臨界温度まで上昇するのに必要な下記〔数式ＩＩ〕の過熱予測熱量Ｑ^*を決定する段階と、
    Q^* = [T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb]/[R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th])] 〔数式ＩＩ〕
    〔上記数式ＩＩ中、
    Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
    ｔ^*は基準時間であり、
    Ｔ_cは二次電池の現在温度であり、
    Ｔ_ambは二次電池の外部温度であり、
    Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
    Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
    ｍは二次電池の重量である。〕
    前記二次電池の内部抵抗を通じて前記過熱予測熱量Ｑ^*をジュール熱として発生できる電流値を計算し、計算された電流値を前記充電予測電流として決定する段階とを含んでなることを特徴とする、請求項９〜１２の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整方法。
14. 前記二次電池の外部温度を測定する段階をさらに含んでなり、
    前記（ｂ）段階は、下記〔数式III〕による電流変数に対して二分法アルゴリズムを適用することで、下記〔数式III〕で算出された値を充足する電流値を前記充電予測電流として決定する段階を含むことを特徴とする、請求項９〜１３の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整方法。
    〔上記数式III中、
    Ｔ^*は予め設定された臨界温度であり、
    ｔ^*は基準時間であり、
    Ｔ_c は二次電池の現在温度であり、
    Ｔ_amb は二次電池の外部温度であり、
    Ｒ_thは二次電池と外部との間の予め設定された熱抵抗値であり、
    Ｃ_pは予め設定された二次電池の定圧比熱であり、
    ｍは二次電池の重量であり、
    Ｒは二次電池の内部抵抗である。〕
15. 前記基準時間を変える段階をさらに含むことを特徴とする、請求項９〜１４の何れか一項に記載の二次電池の充電条件調整方法。