KR101736419B1 - 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법 - Google Patents

과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법 Download PDF

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김상동
서성원
고경군
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Abstract

과충전의 예방이 가능한 전지팩 충전방법을 개시한다. 본 발명은 a)복 수개의 전지셀을 구비한 배터리를 정전류로 설정된 제1전류로 설정된 제1충전시간동안 또는 배터리의 충전전압이 정전압으로 설정된 제1전압에 도달되기까지 충전시키는 단계와, b)제1전압으로 설정된 제2충전시간 동안 배터리를 충전시키는 단계와, c)정전류로 설정된 제2전류로 제3충전시간 동안 충전시키는 단계를 포함하고, 제3충전시간은 실내온도를 기준으로 하는 기준온도와 배터리의 측정 온도간의 편차를 제1충전시간과 합하여 산출되는 것을 특징으로 하는 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법을 제공할 수 있다.

Description

과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법{CHARGING METHOD FOR BATTERY CAPABLE OF PREVENT OVERCHARGE}
본 발명은 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법에 관한 것이다.
하이브리드 및 전기 차량에서는, 직렬로 접속된 다수의 전기 화학 배터리 셀을 포함하는, 리튬 이온 또는 니켈-금속 하이브리드 기술의 배터리들이 이용된다. 배터리 관리 시스템(BMS:BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)은 배터리를 모니터링 하기 위해 이용되며, 안전 모니터링 외에도 가능한 한 높은 수명을 보증해야 한다.
이를 위해 각각의 전압, 전류 및 온도와 함께 측정되고 (예컨대 배터리의 충전 상태 또는 노후화 상태의) 상태 추정이 실행된다. 수명을 최대화하기 위해서, 항시 현재 제공되는 배터리의 최대 출력 용량, 다시 말해 최대한 방출 또는 소모 가능한 전기 용량을 아는 것이 도움이 된다. 상기 출력 용량이 초과되면, 배터리의 노후화가 강력하게 가속화될 수 있다.
배터리의 충전 과정 동안에도 배터리 관리 시스템은, 개별 전지셀들 또는 배터리 전체의 손상을 방지하기 위해, 배터리의 실질적인 파라미터들을 끊임없이 모니터링 한다.
예를 들면, 종래의 리튬이차전지는 정 전류로 충전시킨 뒤에 사전 결정된 한계 전압에 도달되면, 임계의 최대 셀 전압(셧다운 한계 Umax) 미만인 값을 갖는 정 전압의 조건으로 충전시킨다.
즉, 종래에는 이차전지의 충전시에 시간이나 온도, 전압으로서 기준값을 설정하고, 설정된 기준값에 따라 구분된 복 수개의 스텝을 순차적으로 진행하여 배터리를 충전시키게 된다.
그러나 위와 같은 종래의 충전방법은, 예를 들면, 24개의 전지셀이 포함된 배터리의 충전시간은 총 18시간으로서 충전시간이 길고, 충전중 배터리의 온도가 100℃ 이상의 고온으로 발열되어 전지셀의 손상 및 화재 발생의 문제점이 있다.
따라서, 종래의 충전방법은 충전 과정중에 발생되는 고온으로 인하여 사용기간 및 충전횟수가 누적될수록 과충전이 발생되어 배터리의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0015538호(2015.02.10)
그러므로 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 배터리의 과충전과 고온에 의한 화재를 방지할 수 있도록 온도에 따라 최대 충전시간을 조절할 수 있는 과충전의 예방이 가능한 전지팩 충전방법을 제공함에 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함한다.
본 발명에 따른 과충전 예방이 가능한 전지팩 충전방법의 바람직한 실시예는 a)복 수개의 전지셀을 구비한 배터리를 정전류로 설정된 제1전류로 설정된 제1충전시간동안 또는 배터리의 충전전압이 정전압으로 설정된 제1전압에 도달되기까지 충전시키는 단계와, b)제1전압으로 설정된 제2충전시간 동안 배터리를 충전시키는 단계와, c)정전류로 설정된 제2전류로 제3충전시간 동안 충전시키는 단계를 포함하고, 제3충전시간은 실내온도를 기준으로 하는 기준온도와 배터리의 측정 온도간의 편차를 제1충전시간과 합하여 산출되는 것을 특징으로 하는 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 충전 과정에서 온도에 따라 충전시간을 조절할 수 있어 고온에 의한 화재를 방지할 수 있고, 사용기간 및 충전횟수가 누적되더라도 과충전의 발생을 예방할 수 있어 배터리 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 과충전 예방이 가능한 전지팩의 충전시스템을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 과충전 예방이 가능한 전지팩의 충전 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전지팩의 충전과정을 도시한 그래프이다.
이하에서는 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 들어 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않으며, 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 과충전 예방이 가능한 전지팩 충전방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 과충전 예방이 가능한 배터리 충전시스템을 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 배터리(130)와, 배터리(130)의 전압과 온도 및 전류를 측정하는 센서들이 구비된 센서부(140)와, 시간을 카운팅하는 타이머(120)와, 전원을 공급하는 전원부(160)와, 배터리(130)에 전원을 충전시키는 전원 변환부(150)와, 타이머(120) 및 센서부(140)의 감지 신호를 수신하여 전원 변환부(150)를 제어하여 배터리(130)를 충전시키는 제어부(110)를 포함한다.
전원부(160)는 외부계통 또는 자체 발전기(태양광모듈, 풍력발전기, 수력발전기)중 어느 하나로서 교류 전원을 공급한다.
배터리(130)는 복 수개의 전지셀이 상호 통전되도록 설치되어 충전된 전원을 연결된 부하에 공급한다.
센서부(140)는 전압센서, 전류센서 및 온도센서중 적어도 하나 이상을 포함하여 배터리(130)의 전압과 전류 및 온도를 감지하여 제어부(110)에 출력한다.
타이머(120)는 제어부(110)의 제어에 의하여 온오프되어 시간을 카운팅하고, 카운팅 신호를 제어부(110)에 출력한다.
전원 변환부(150)는 제어부(110)의 제어에 의해 전원부(160)에서 공급된 교류 전원을 설정된 레벨의 직류로 변환하여 배터리(130)를 충전시킨다.
제어부(110)는 센서부(140)의 전류, 전압 및 온도 감지신호와 타이머(120)의 카운팅신호를 수신하여 전원 변환부(150)의 출력을 제어한다. 제어부(110)는 설정된 기준에 따라서 전체 충전공정을 3단계로 구분하여 순차적으로 진행한다.
이때, 제어부(110)는 각 단계에서 순차적으로 다음 단계로 전환되거나 또는 중간단계를 건너뛰도록 각 단계 전환을 위한 기준값을 설정한다. 기준값은 전류와 전압 및 온도와 시간중 적어도 하나 이상으로 설정된다.
제어부(110)는 센서부(140)를 통하여 배터리(130)에 충전되는 전류와 전압 및 온도를 통하여 측정 및 연산하여 기준값과의 비교를 통하여 단계 전환 및/또는 충전 종료를 판단할 수 있다.
이와 같은 제어부(110)의 충전 제어과정과, 각 단계별 기준값 및 전환에 대한 설명은 도 2와 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법을 도시한 순서도이며, 도 3은 도 2의 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 설정된 제1전류로 제1전압 또는 제1충전시간(T1) 동안 충전시키는 S100 단계와, 제1전압으로 제2전류 또는 제2충전시간(T2) 동안 충전시키는 S200 단계와, 제2전류로서 제3충전시간(T3)까지 충전시키는 S300 단계를 포함한다.
S100 단계는 설정된 제1전류로 배터리(130)를 충전시키는 S110 단계와, 배터리(130)가 제1전압에 도달되었는 지를 판단하는 S120 단계와, 제1전류로 충전되는 시간이 설정된 제1충전시간(T1)에 도달되었는지를 판단하는 S130 단계를 포함한다.
S110 단계는 제어부(110)가 전원 변환부(150)를 제어하여 제1전류를 배터리(130)로 충전시키는 단계이다. 전원 변환부(150)는 전원부(160)에서 공급되는 교류 전류를 설정된 레벨의 정전류로 변환시킨 제1전류를 배터리(130)로 출력한다. 아울러, 제어부(110)는 센서부(140)와 타이머(120)를 온시켜 배터리(130)의 전압과 전류 및 온도 측정신호를 수신하고, 타이머(120)를 온시켜 제1전류가 출력된 시간을 카운팅하도록 제어한다.
S120 단계는 제어부(110)가 배터리(130)의 전압이 설정된 제1전압에 해당되는 지를 판단하는 단계이다. 여기서, 제1전압은 배터리(130)의 전지셀 갯수와 측정온도에 따라 산출된 값으로 설정될 수 있으며, 이는 하기의 수학식 1에 의한 연산식을 통하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
{(전지셀갯수 × 전지셀 정격전압)-0.12(측정온도-기준온도)}±V1=제1전압
위 수학식 1에서 0.12는 상수이며, 기준온도는 25~30℃중 어느 하나로 실내 온도에 따라 선택될 수 있다. 또한, V1은 오프셋 범위로서 0.1~1V중에서 선택될 수 있다. 측정온도는 실제 배터리(130)에서 측정된 온도이다.
제어부(110)는 위와 같은 연산식을 통하여 제1전압을 설정하고, 이후 배터리(130)의 전압을 측정하여 일치 또는 오프셋 범위 이내에 해당되는 지를 판단한다. 그리고, 제어부(110)는 제1전압에 도달되었다면 S300 단계를 진행한다.
S130 단계는 제어부(110)가 제1전류를 출력한 이후부터 설정된 제1충전시간(T1)에 도달되었는지를 판단하는 단계이다. 여기서, 제어부(110)는 타이머(120)의 카운팅신호를 수신하여 제1전압에 도달되지 못한 상태에서 설정된 제1충전시간(T1)에 도달되었다면, S200 단계로 전환되어 배터리(130)를 충전시킨다.
S200 단계는 S100 단계의 제1전압으로 배터리(130)를 충전시키는 단계이다. 보다 상세히 설명하자면, S200 단계는 제1전압으로 충전시키는 S210 단계와, 제2전류에 도달되었는지를 판단하는 S220 단계와, 제1전압으로 충전시키는 시간이 설정된 제2충전시간(T2)에 도달되었는지를 판단하는 S230 단계를 포함한다.
S210 단계는 제어부(110)가 전원 변환부(150)를 제어하여 상술한 수학식 1에 의해 연산된 제1전압으로 배터리(130)를 충전시키는 단계이다. 즉, S210 단계는 정전압으로 설정된 제1전압을 배터리의 충전전류가 제2전류에 도달되기까지 충전시킨다. 따라서, 전원 변환부(150)는 제어부(110)의 제어에 의해 전원부(160)에서 공급된 교류 전원을 정전압으로 변환시킨 제1전압을 배터리(130)에 충전시킨다.
S220 단계는 제어부(110)가 배터리(130)의 전류를 감지하여 설정된 제2전류에 도달되었는지를 판단하는 단계이다. 제어부(110)는 센서부(140)의 감지신호를 통하여 배터리(130)의 충전전류가 설정된 제2전류에 해당되는 지를 판단한다.
S230 단계는 제어부(110)가 설정된 제2충전시간(T2)동안 제2전류가 감지되지 않으면 S300 단계로 전환되는 단계이다. 제어부(110)는 S220 단계에서 제2전류가 감지되지 않았고, 타이머(120)의 카운팅 신호를 수신하여 설정된 제2충전시간(T2)(예를 들면, 1~2시간)이 경과되는 지를 판단한다.
즉, 본 발명은 S100 단계와 S200 단계에서 설정된 제1전압과 제2전류가 감지되지 않더라도 설정된 충전시간에 도달되면 다음 단계로 전환되어 최대 충전시간을 단축시킨다. 이와 같은 충전시간의 단축은 전지의 노후화를 방지하여 사용기간 및 충전횟수가 증가되더라도 과충전을 방지할 수 있어 종래와 같은 전지 수명을 단축시키는 문제점을 해소할 수 있다.
S300 단계는 제2전류로 충전하는 S310 단계와, 설정된 제3충전시간(T3)이 경과되는 지를 판단하는 S320 단계와, 제3충전시간(T3)이 경과되면 충전을 종료하는 S330 단계를 포함한다.
S310 단계는 제어부(110)가 전원 변환부(150)를 제어하여 제2전류로 배터리(130)를 충전시키는 단계이다. 여기서, S310 단계는 S130 단계에서 제1충전시간(T1)이 경과된 이후에 S200 단계를 거치지 않고 바로 진행되거나, S230 단계에서 제2충전시간(T2)이 경과되면 진행된다.
S320 단계는 제어부(110)가 제3충전시간(T3)이 경과되었는지를 판단하는 단계이다. 여기서, 제3충전시간(T3)은 제2전류에 의해 충전되는 최대 충전시간을 단축시키기 위하여 설정된 것이다.
여기서, 제3충전시간(T3)은 하기의 수학식2에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
(T1×0.6)+0.04(기준온도-측정온도)=T3
여기서, T1은 100단계의 제1충전시간(T1)이며, 측정온도는 배터리(130)의 측정온도이다. 기준온도는 실내온도를 기준으로 하여 25~30℃중에서 선택될 수 있다.
즉, 제3충전시간(T3)은 측정온도가 기준온도보다 높을수록 단축되며, 바람직하게로는 최대 3시간을 넘지 않고, 최소 30분 이상 충전시킨다.
S330 단계는 S320 단계에서 제어부(110)가 타이머(120)의 카운팅 신호를 수신하여 제3충전시간(T3)이 경과되었다면 충전을 종료하는 단계이다. 여기서, 제3충전시간(T3)은 제1충전시간(T1)과 제2충전시간(T2)과 함께 각 단계별로 최대 충전량을 제한하여 고열 발생을 방지할 수 있다.
예를 들면, 종래에는 2.35V의 24셀 배터리(130)를 충전하기 위해서는 총 18시간이 소요되며, 이때 배터리(130)는 100℃ 이상으로 상승될 수 있어 고열에 의한 화재 발생의 위험성을 갖는다.
하지만, 본 발명은 상술한 바와 같이 각 단계별로 최대 충전시간을 설정하고, 최대 충전시간은 전지의 온도에 따라 증감될 수 있어 종래와 고열에 의한 화재 위험이나 전지의 수명단축과 같은 종래의 문제점을 해소할 수 있다.
또한, 본 발명은 S100 단계에서 S300 단계로 바로 전환됨에 따라 종래에 비하여 전체 충전시간을 단축시킬 수 있는 장점을 갖는다.
이상에서 설명된 본 발명의 과충전의 예방이 가능한 배터리의 충전방법은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.
그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
110 : 제어부 120 : 타이머
130 : 배터리 140 : 센서부
150 : 전원 변환부 160 : 전원부

Claims (5)

  1. a)복 수개의 전지셀을 구비한 배터리(130)를 정전류로 설정된 제1전류로 설정된 제1충전시간(T1)동안 또는 배터리(130)의 충전전압이 정전압으로 설정된 제1전압에 도달되기까지 충전시키는 단계;
    b)상기 제1전압으로 설정된 제2충전시간(T2) 동안 상기 배터리(130)를 충전시키는 단계; 및
    c)정전류로 설정된 제2전류로 제3충전시간(T3)동안 충전시키는 단계;를 포함하고,
    상기 제3충전시간(T3)은 실내온도를 기준으로 하는 기준온도에서 상기 배터리(130)에서 측정된 측정온도간의 편차를 제1충전시간(T1)과 합하여 산출되는 것을 특징으로 하는 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1전압은
    (전지셀 갯수 × 전지셀의 정격전압)-0.12(측정온도-기준온도)
    으로 산출되며,
    기준온도는 25~30℃에서 선택되고, 측정온도는 배터리에서 측정되는 온도인 것을 특징으로 하는 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3충전시간(T3)은
    (T1×0.6)+0.04(기준온도-측정온도)에 의해 산출되고,
    T1은 상기 제1충전시간(T1)이며, 측정온도는 배터리에서 측정된 온도이고, 기준온도는 25~30℃중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 b)단계는
    상기 제1전압으로 충전하던중 상기 배터리가 상기 제2전류에 도달되면, 상기 c)단계로 전환되는 것을 특징으로 하는 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 a)단계는 상기 제1전압에 도달되기 전에 상기 제1충전시간(T1)이 경과되면 상기 c)단계로 전환되는 것을 특징으로 하는 과충전의 예방이 가능한 배터리 충전방법.


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