KR101776507B1 - 배터리 충전 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR101776507B1 KR1020160071659A KR20160071659A KR101776507B1 KR 101776507 B1 KR101776507 B1 KR 101776507B1 KR 1020160071659 A KR1020160071659 A KR 1020160071659A KR 20160071659 A KR20160071659 A KR 20160071659A KR 101776507 B1 KR101776507 B1 KR 101776507B1
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김충
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Abstract

배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여 충전 시 분극 전압의 영향을 최소화함으로써 배터리 충전 용량을 증가시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템이 개시된다. 상기 배터리 충전 방법은 컨트롤러에서 충전 중인 배터리의 열화도를 판단하는 단계 및 상기 배터리의 열화도가 사전 설정된 레벨 이상인 경우, 상기 컨트롤러에서, 상기 배터리에 제공되는 충전전류를 감소시키는 단계를 포함한다.

Description

배터리 충전 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CHARGING BATTERY}
본 발명은 배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여 충전 시 분극 전압의 영향을 최소화함으로써 배터리 충전 용량을 증가시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
KR 10-2013-0142807 A KR 10-2012-0091707 A
이에 본 발명은, 배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여 충전 시 분극 전압의 영향을 최소화함으로써 배터리 충전 용량을 증가시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
컨트롤러에서 충전 중인 배터리의 열화도를 판단하는 단계; 및
상기 배터리의 열화도가 사전 설정된 레벨 이상인 경우, 상기 컨트롤러에서, 상기 배터리에 제공되는 충전전류를 감소시키는 단계;
를 포함하는 배터리 충전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 판단하는 단계는, 상기 배터리에 포함된 복수의 배터리셀의 전압을 각각 검출하고, 검출된 전압 중 최대 전압과 최소 전압의 편차를 연산할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 감소시키는 단계는, 상기 편차가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 충전 전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준값은 상기 배터리 셀의 충전 상태에 대응되는 개방 회로 전압의 편차에 기반하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 감소시키는 단계는, 사전에 설정된 배터리셀의 충전 상태 편차에 대응되는 개방 회로 전압의 편차를 상기 최대 전압과 최소 전압의 편차로 나눈 값에, 기존 충전 전류를 곱한 제1 전류값 이하로 상기 배터리의 충전 전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 감소시키는 단계는, 상기 배터리의 잔여 충전 용량에, 사전 설정된 총 충전시간에 상기 배터리의 충전 개시 이후 경과한 시간을 차감한 잔여 충전 시간을 나눈 제2 전류값이 상기 제1 전류값 이하인 경우, 상기 제2 전류값으로 상기 배터리의 충전 전류를 재설정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
복수의 배터리셀을 포함하는 배터리;
상기 복수의 배터리셀 각각의 전압을 검출하는 복수의 전압센서;
상기 배터리로 충전전류를 제공하는 충전기; 및
상기 충전기에서 제공되는 충전전류의 크기를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
상기 컨트롤러는 상기 복수의 전압 센서에서 검출된 전압 중 최대 전압과 최소 전압의 편차를 연산하고, 상기 편차가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 충전전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 사전에 설정된 배터리셀의 충전 상태 편차에 대응되는 개방 회로 전압의 편차를 상기 최대 전압과 최소 전압의 편차로 나눈 값에, 기존 충전 전류를 곱한 제1 전류값 이하로 상기 배터리의 충전 전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리의 잔여 충전 용량에, 사전 설정된 총 충전시간에 상기 배터리의 충전 개시 이후 경과한 시간을 차감한 잔여 충전 시간을 나눈 제2 전류값이 상기 제1 전류값 이하인 경우, 상기 제2 전류값으로 상기 배터리의 충전 전류를 재설정할 수 있다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 배터리 충전 방법 및 시스템에 따르면, 배터리셀 간의 전압 편차가 사전 설정된 기준값보다 커지는 경우, 이 기준값 이하로 배터리셀의 전압편차가 유지될 수 있도록 충전전류를 감소시켜 배터리셀의 충전용량을 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 충전 방법 및 시스템에 따르면, 배터리셀의 충전전류를 감소시킴에 따라 충전시간이 증가되는 점을 고려하여, 사전 설정된 총 충전시간 이전에 충전이 종료될 수 있도록 적절한 크기로 충전전류를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 배터리에 포함된 배터리셀의 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3에서 충전전류를 감소시키는 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다.
도 5는 통상적인 충전 방법과 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 의해 배터리 충전 시, 열화도가 낮은 배터리셀과 열화도가 높은 배터리셀의 충전 중 단자 전압 변화를 비교 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 충전 방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템은 복수의 배터리셀(11)을 포함하는 배터리(10)와, 복수의 배터리셀(11) 각각의 전압을 검출하는 복수의 전압센서(12)와, 배터리(10)로 충전전류(i)를 제공하는 충전기(30) 및 충전기(30)에서 제공되는 충전전류(i)의 크기를 제어하는 컨트롤러(20)를 포함하여 구성된다.
배터리(10)는 통상 배터리 모듈이라고도 하며, 상호 직렬 연결된 복수의 배터리셀(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.
도 2는 배터리(10)에 포함되는 배터리셀(11)의 등가회로도이다. 특히, 도 2는 리튬 이온 배터리셀의 전기적 특성을 고려한 등가회로도로서, 리튬 이온 배터리셀은 배터리셀의 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 배터리셀의 단자전압(측정전압: Vt)은 식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
Vt = Ve + Vi + Vp
상기 식 1에서 분극전압은 전류가 흐르는 경우에만 생성되는 것이므로 전류가 흐르지 않는 조건이라면 배터리셀의 단자전압은 개방 회로 전압과 동일한 값(Vt=Ve)이 된다. 즉, 개방 회로 전압은 실제 배터리셀의 에너지 용량을 의미하는 값이 되는 것이다.
한편, 전류(i)가 흐르는 조건인 경우 식 1은 다음의 식 2 및 식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[식 2]
Vt = Ve + i*Ri +i*(RC회로의 합성 임피던스)
[식 3]
Figure 112016055417519-pat00001
Figure 112016055417519-pat00002
Figure 112016055417519-pat00003
즉, 배터리셀의 내부 임피던스(
Figure 112016055417519-pat00004
)와 전류(i)에 의해 실제로 에너지를 제공할 수 있는 전압이 아닌 분극 전압이 발생하게 된다. 이 분극전압은 전류(i)가 크고 내부 임피던스(
Figure 112016055417519-pat00005
)가 클수록 더 큰 값을 갖게 된다.
배터리의 충전시에는 배터리셀에 전류(i)가 흐르게 되므로 내부 임피던스에 의한 분극 전압이 반드시 발생하게 된다. 이러한 분극전압에 의해 배터리셀의 단자에서 검출되는 전압은 실제 사용할 수 있는 에너지에 해당하는 개방 회로 전압(Ve)보다 큰 값을 가지며, 이러한 배터리셀의 검출전압이 컨트롤러(20)로 제공된다.
컨트롤러(20)는 분극 전압을 포함하는 검출전압을 고려하여 충전을 제어하는 바, 실제 배터리 셀에 충분한 에너지가 충전되지 못한 상태에서 충전을 중단할 수 있다.
충전이 중단되는 시점에서 배터리셀의 전압은 충전목표전압에 대응하는 값을 가지지만, 시간이 경과함에 따라 내부 임피던스(특히 커패시터(Cdl))에 의한 전압이 사라지면서 배터리셀의 단자전압은 점차 감소하여 개방 회로 전압(Ve)로 수렴하게 된다.
충전이 가능한 배터리셀은, 충전과 방전이 반복될수록 불순물 생성으로 인한 이온 침전 등의 이유로 내부 임피던스가 증가하게 되며 실제 에너지 저장 용량이 줄어들게 된다. 즉, 배터리셀의 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.
복수의 배터리셀을 포함하는 배터리를 충전하는 과정에서, 컨트롤러(20)는 복수의 배터리셀의 단자전압 중 최대전압에 따라 충전 중단을 결정하게 되므로, 배터리셀 간의 열화도가 상호 상이한 경우 충전을 종료하는 시점에서 각 배터리셀의 충전 상태가 상호 상이하게 된다.
즉, 상대적으로 열화도가 낮은 배터리셀은, 최대 전압을 갖는 배터리셀로 인해 그 단자전압이 최대값에 도달하지 못한 시점, 즉 충전이 충분하게 완료되지 못하는 시점에 충전이 종료되고, 시간이 지나 분극 전압이 소멸되면 매우 낮은 단자전압이 개방 회로 전압으로 감소되어 배터리를 사용하는 사용자에게 충전용량에 대한 혼란을 야기시킬 수 있다.
따라서, 충전 중 배터리셀의 분극전압을 감소시키고 배터리셀간의 열화도 차이에 따른 단자전압 차이를 가능한 감소시키면서 충전을 종료하여야 충전 이후 배터리셀 안정화에 의해 발생하는 충전 상태의 편차를 해소할 수 있는 것이다.
전압센서(12)는 배터리셀(11)의 양단에 설치되어 배터리셀(11)의 단자전압을 검출할 수 있다. 충전 중에는 배터리셀(11)로 전류(i)가 제공되는 상태이므로 전압센서(12)에 의해 검출되는 전압은 배터리셀(11) 내부의 내부 임피던스에 의한 분극전압을 포함한 전압값이 될 수 있다.
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.
컨트롤러(20)는 배터리(10)에 포함된 배터리셀(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 배터리셀(11)의 전압에 기반하여 각 배터리 셀의 열화도를 판단하고, 배터리셀의 열화도가 사전 설정된 수준 이상인 경우 충전전류(i)의 크기를 감소시키도록 충전기(30)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(20)가 충전전류(i)의 크기를 감소시키는 데에는 충전기(30)의 출력단에 배치되는 전류 센서(40)를 이용하여 검출되는 충전전류(i)의 검출값을 이용할 수 있다.
컨트롤러(20)에서 수행되는 제어기법들은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 도 3에서 충전전류를 감소시키는 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다. 또한, 도 5는 통상적인 충전 방법과 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 의해 배터리 충전 시, 열화도가 낮은 배터리셀과 열화도가 높은 배터리셀의 충전 중 단자 전압 변화를 비교 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법은, 컨트롤러(20)가 충전 중인 배터리(10)의 열화도를 판단하는 단계(S11, S12)와 배터리의 열화도가 사전 설정된 레벨 이상인 경우, 컨트롤러(20)가 배터리(10)의 충전전류를 감소시키도록 충전기(30)를 제어하는 단계(S13)을 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 열화도가 낮은 배터리셀은 내부 임피던스가 작으므로 분극 전압의 영향을 적게 받으므로, 충전전류가 공급되는 충전 중에 단자전압의 크기는 서서히 증가하게 된다. 반면, 열화도가 높은 배터리셀은 내부 임피던스가 크기 때문에 전류가 공급되는 경우 분극 전압이 크게 상승하므로 충전 중에 단자전압의 크기가 급하게 증가하게 된다.
도 5의 좌측 그래프는 상대적으로 열화도가 낮은 배터리셀의 충전에 따른 단자전압 변화를 도시한 것이고 가운데 그래프는 열화도가 높은 배터리셀의 충전에 따른 단자전압 변화를 도시한 것이다.
도 5에 도시한 것과 같이, 열화도가 낮은 배터리셀의 경우에는 사전 설정된 최대셀전압까지 단자전압이 상승하여 충전이 종료되는 경우, 최대셀전압과 배터리셀의 개방전압(Ve)와의 차이가 적은데 반해, 열화도가 높은 배터리셀의 경우에는 배터리 단자전압이 급격하게 상승하므로 최대셀전압에 도달하여 충전이 중단되는 경우 최대셀전압과 배터리셀의 개방전압(Ve)와의 차이가 크게 나타난다. 이에 따라서, 여러 배터리셀을 함께 충전하는 경우 컨트롤러(20)는 최대 단자전압을 갖는 배터리셀을 기준으로 충전 종료를 결정하게 되므로, 상대적으로 열화도가 낮은 배터리셀은 개방 회로 전압까지 더 상승할 여력이 있음에도 불구하고 충전이 중단되는 문제가 발생한다. 또한 이러한 문제로 인해 전체 배터리의 충전 용량까지 감소되는 것이다.
본 발명의 여러 실시형태는, 배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여, 충전 시 분극 전압을 최소화할 수 있도록 하고자 하는 것이다. 분극 전압을 감소시키기 위해서는 배터리셀 내부 임피던스를 감소시키거나 제공되는 전류를 감소시켜야 하는데, 내부 임피던스는 배터리 열황에 따라 정해지는 값으로 조정이 불가하므로, 본 발명의 일 실시형태는 제공되는 전류를 감소시킴으로써 분극전압의 영향을 최소화하고자 한다.
충전시 분극전압에 의한 배터리셀의 단자전압 변화가 열화도에 따라 차이가 나는 점을 감안하여, 컨트롤러(20)가 충전 중인 배터리(10)의 열화도를 판단하는 단계(S11, S12)는, 배터리 충전 시 사전 설정된 크기의 충전전류를 제공하도록 컨트롤러(20)가 충전기(30)를 제어하고(S11), 컨트롤러(20)는 각 배터리셀(11)의 단자전압을 검출한 값을 모니터링하여 검출된 전압 중 최대 전압과 최소 전압의 편차를 연산함으로써(S12) 배터리의 열화도를 판단할 수 있다.
즉, 컨트롤러(20)는 배터리 충전 중에 각 배터리셀(11)의 단자전압을 검출한 값 중 최대 전압과 최소 전압의 편차가 사전 설정된 레벨 이상인 경우 배터리의 열화도가 높은 것으로 판단할 수 있게 된다.
이어, 컨트롤러(20)는 배터리의 열화도가 높은 것으로 판단하면 배터리(10)로 제공되는 충전전류의 크기를 감소시킨다. 이는 분극전압의 크기가 전류에 의해 결정되는 점을 감안한 것으로, 배터리(10)로 제공되는 전류의 크기를 감소시키면 분극전압의 크기가 감소하여 열화도가 높은 배터리셀(11)의 단자전압 상승을 저하시킬 수 있어, 열화도가 낮은 배터리셀(11)의 단자전압과의 편차를 감소시킬 수 있게 된다.
즉, 도 5의 우측 그래프에 나타난 바와 같이, 열화도가 높은 배터리셀의 단자전압과 열화도가 낮은 배터리셀의 단자전압이 상승하여 그 편차가 점점 커지던 중, 컨트롤러(20)에 의해 충전기(30)에서 제공되는 충전전류의 크기를 감소시키면, 열화도가 높은 배터리셀의 단자전압의 상승폭이 감소하게 된다. 열화도가 높은 배터리셀은 내부 임피던스가 높으므로 전류 감소에 따른 단자전압 상승 감소폭이 열화도가 낮은 배터리셀의 단자전압 상승 감소폭보다 크다. 따라서, 전류를 감소시키게 되면 열화도가 높은 배터리셀의 단자전압과 열화도가 낮은 배터리셀의 단자전압 사이의 편차가 감소하게 된다.
열화도가 높은 배터리셀의 단자전압과 열화도가 낮은 배터리셀의 단자전압 사이의 편차가 감소하게 됨으로써, 열화도가 높은 배터리셀이 최대충전전압이 되어 충전을 종료하는 시점에서 열화도가 낮은 배터리셀은, 충전전류를 감소시키지 않고 단순히 열화도가 높은 배터리셀의 최대충전전압에 따라 충전을 종료하는 종래의 기술에 비해 더 많은 에너지를 저장할 수 있으며 그에 따라 더 높은 개방 회로 전압을 확보할 수 있게 된다.
한편, 단계(S12)에서 열화도를 판단하여 충전전류의 감소 여부를 결정하기 위해서는 배터리셀 간의 전압편차를 이용한다. 특히, 단자전압이 최대인 배터리셀은 열화도가 가장 높은 셀이며 단자전압이 최소인 배터리셀은 열화도가 가장 높은 셀인 것으로 추정할 수 있으며, 이 두 배터리셀 간의 전압편차를 사전 설정된 수준 이하로 유지할 수 있다면, 전체 배터리셀의 충전 에너지를 증가시킬 수 있게된다.
따라서, 단계(S12)에서는 열화도를 판단함에 있어서, 컨트롤러(20)는 전압센서에서 검출된 전압 중 최대 전압과 최소 전압의 편차를 연산하고 이 편차가 사전설정된 기준값보다 커지는 시점을 충전전류를 감소시키는 시점으로 결정할 수 있다.
이 셀전압 편차는 사전 설정된 배터리셀의 충전상태-개방회로전압 관계에 기반하여 결정될 수 있다. 배터리셀은 배터리셀 제작자에 의해 사전에 결정되는 충전상태-개방회로전압 관계가 존재한다.
예를 들어, 이 관계는 다음의 표와 같을 수 있다.
개방회로전압(12) 충전상태(SOC)(%)
4.0 100
3.9 95
3.8 90
... ...
2.1 5
2.0 0
기준값은 위의 표에서 충전상태의 편차를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 배터리셀간의 충전상태 편차가 10% 이하가 되도록 제어하기 위해, 충전상태 10%에 대응되는 전압편차인 0.2V를 기준값으로 결정할 수 있다. 이 경우, 제어부(20)는 검출될 배터리셀 전압 중 최대전압과 최소전압의 편차가 0.2V 보다 커지면 충전전류를 감소하도록 제어부를 제어할 수 있다(S13).
도 4는 도 3에서 충전전류를 감소시키는 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도로서, 단계(S12)에서 배터리셀 전압 편차가 설정된 기준값(a)보다 큰 것으로 판단된 경우, 컨트롤러(20)는 충전 상태 편차 설정값에 대응되는 개방 회로 전압 편차를 상기 표를 통해 결정하고, 이 값을 실제 전압편차로 나눈 값에 배터리로 제공되는 기존의 충전전류값을 곱한 제1 전류값을 생성한다. 컨트롤러(20)는 감소시킨 충전전류의 값을 이 제1 전류값 보다 작은 값으로 재설정할 수 있다(S131).
이 제1 전류값이 도출되는 과정이 다음의 식으로써 설명된다.
[식 4]
Figure 112016055417519-pat00006
[식 5]
Figure 112016055417519-pat00007
[식 6]
Figure 112016055417519-pat00008
Figure 112016055417519-pat00009
[식 7]
Figure 112016055417519-pat00010
[식 8]
Figure 112016055417519-pat00011
[식 9]
Figure 112016055417519-pat00012
상기 식 5 내지 식 9에서, Vt는 배터리셀의 검출전압(단자전압)으로, max는 검출전압이 최대인 배터리셀을 의미하고, min은 검출전압이 최소인 셀을 의미한다.
Figure 112016055417519-pat00013
는 검출전압이 최대인 배터리 셀의 내부 임피던스를 나타내며, Ri, Rct, Cdl 등은 내부 임피던스를 형성하는 저항값, 커패시턴스를 나타낸다. 또한, new는 새로이 충전전류를 설정한 경우를 나타내며, origin은 기존의 충전전류가 제공되는 경우를 나타내는 것으로, inew는 iorigin을 감소시켜 새로이 설정된 충전전류를 나타낸다.
식 5에서 검출전압이 최소인 배터리셀의 검출전압은 내부 임피던스에 의한 분극전압을 무시하는 것으로 가정한 것이며, 식 6에서는 검출전압이 최대인 배터리셀의 개방 회로 전압과 검출전압이 최소인 배터리셀의 개방 회로 전압이 동일한 것으로 가정한 것이다. 이에 따라, 최대전압과 최소전압의 차는 결국 검출전압이 최대인 배터리셀의 분극전압에 해당하는 것으로 볼 수 있다.
이러한 결과에 따라, 식 8과 같이, 새로운 전류가 제공되는 경우 검출전압이 최대인 배터리셀과 최소인 배터리셀의 전압 편차는 새로운 전류에 검출전압이 최대인 배터리셀의 내부 임피던스를 곱한 것이 되며, 이 값이 원하는 충전 상태 편차 설정값에 대응되는 개방전압 편차(여기서는, 상기 표를 참조하여 충전 상태 편차 설정값을 10%로 하고 그에 대응되는 개방 회로 전압 편차가 0.2V가 됨) 이하의 값이 되도록 설정될 수 있다.
식 7과 식 8에 의해 식 9가 유도되며, 사전에 설정된 배터리셀의 충전 상태 편차에 대응되는 개방 회로 전압의 편차(상기 예에서 0.2V)를 검출된 배터리셀의 최대 전압과 최소 전압의 편차로 나눈 값에, 기존 충전 전류를 곱한 제1 전류값보다 작은 것으로 새로운 충전전류를 설정할 수 있게 된다.
한편, 충전전류를 감소시키면 충전시간이 증가하게 된다는 점을 고려하여, 단계(S132)가 컨트롤러(20)에 의해 수행될 수 있다. 배터리 제조사는 특정 충전전류가 제공되는 경우 충전시간을 제품의 스팩으로 발표하는데 이를 발표치라고 한다. 실제 배터리의 열화가 이루어진 경우에는 전술한 것과 같은 분극전압에 의해 배터리의 실충전 용량의 감소로 인해 충전시간이 감소되는 바 충전전류를 감소시키더라도 크게 충전시간에 영향을 미치지 않을 수 있다.
단계(S132)는, 충전전류의 크기를 감소시켜 재설정함에 있어서, 전술한 것과 같은 배터리 충전시간 발표치(사전 설정된 총 충전시간) 이내에 충전이 종료될 수 있도록 감소되는 충전전류의 크기를 설정하는 과정이다.
단계(S132)에서, 컨트롤러(20)는 배터리(10)의 잔여 충전 용량(단위는 Ah)에, 사전 설정된 총 충전시간(발표치)에 배터리(10)의 충전 개시 이후 경과한 시간을 차감한 잔여 충전 시간을 나눈 제2 전류값이 제1 전류값 이하인지 판단한다. 즉, 제어부(20)는 배터리(10)가 100% 충전 상태가 되는 배터리 용량에 현재 배터리 충전 상태를 기준으로 한 배터리 용량을 차감하여 잔여 충전용량을 계산하고, 새로운 충전전류에 잔여 충전 시간(발표치-기충전시간)을 곱한 값이 배터리 잔여 충전용량 이하가 되도록 설정함으로써 사전 설정된 총 충전시간(발표치) 이내에 배터리의 충전을 완료할 수 있게 된다.
이러한 점을 고려하여, 컨트롤러(20)는 배터리 잔여 충전 용량에 잔여 충전 시간을 제2 전류값이 전술한 단계(S131)에서 제안된 제1 전류값보다 작은 조건을 만족하는 경우 제2 전류값을 새로운 충전전류 값으로 재설정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 열화된 배터리에 포함된 배터리셀의 분극전압에 의해 배터리셀 간의 전압 편차가 커짐에 따라 열화도가 낮은 배터리가 충분히 충전되지 않고 충전이 종료되는 문제를 해소할 수 있다. 즉, 본 발명의 여러 실시형태는, 배터리셀 간의 전압 편차가 사전 설정된 기준값보다 커지는 경우, 이 기준값보다 전압편차 이하로 배터리셀의 전압편차가 유지될 수 있도록 충전전류를 감소시켜 배터리셀의 충전용량을 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태는 배터리셀의 충전전류를 감소시킴에 따라 충전시간이 증가되는 점을 고려하여, 사전 설정된 총 충전시간 이전에 충전이 종료될 수 있도록 적절한 크기로 충전전류를 감소시킬 수 있다.
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.
10: 배터리 11: 배터리 셀
12: 전압 센서 20: 컨트롤러
30: 충전기 40: 전류 센서

Claims (9)

  1. 컨트롤러에서 충전 중인 배터리의 열화도를 판단하는 단계; 및
    상기 배터리의 열화도가 사전 설정된 레벨 이상인 경우, 상기 컨트롤러에서, 상기 배터리에 제공되는 충전전류를 감소시키는 단계;를 포함하며,
    상기 판단하는 단계는, 상기 배터리에 포함된 복수의 배터리셀의 전압을 각각 검출하고, 검출된 전압 중 최대 전압과 최소 전압의 편차를 연산하고,
    상기 감소시키는 단계는, 상기 편차가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 충전 전류를 감소시키며,
    상기 감소시키는 단계는, 사전에 설정된 배터리셀의 충전 상태 편차에 대응되는 개방 회로 전압의 편차를 상기 최대 전압과 최소 전압의 편차로 나눈 값에, 기존 충전 전류를 곱한 제1 전류값 이하로 상기 배터리의 충전 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 복수의 배터리셀을 포함하는 배터리 충전 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준값은 상기 배터리 셀의 충전 상태에 대응되는 개방 회로 전압의 편차에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 감소시키는 단계는,
    상기 배터리의 잔여 충전 용량에, 사전 설정된 총 충전시간에 상기 배터리의 충전 개시 이후 경과한 시간을 차감한 잔여 충전 시간을 나눈 제2 전류값이 상기 제1 전류값 이하인 경우, 상기 제2 전류값으로 상기 배터리의 충전 전류를 재설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  7. 복수의 배터리셀을 포함하는 배터리;
    상기 복수의 배터리셀 각각의 전압을 검출하는 복수의 전압센서;
    상기 배터리로 충전전류를 제공하는 충전기; 및
    상기 충전기에서 제공되는 충전전류의 크기를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 전압 센서에서 검출된 전압 중 최대 전압과 최소 전압의 편차를 연산하고, 상기 편차가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 충전전류를 감소시키며,
    상기 컨트롤러는, 사전에 설정된 배터리셀의 충전 상태 편차에 대응되는 개방 회로 전압의 편차를 상기 최대 전압과 최소 전압의 편차로 나눈 값에, 기존 충전 전류를 곱한 제1 전류값 이하로 상기 배터리의 충전 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 배터리의 잔여 충전 용량에, 사전 설정된 총 충전시간에 상기 배터리의 충전 개시 이후 경과한 시간을 차감한 잔여 충전 시간을 나눈 제2 전류값이 상기 제1 전류값 이하인 경우, 상기 제2 전류값으로 상기 배터리의 충전 전류를 재설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
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