KR101831317B1 - 금속-공기 배터리의 충전 제어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 셀(10, 11, 12)을 포함하는 금속-공기 배터리의 충전을 관리하는 방법에 관한 것이다. 상기 셀은 적어도 하나의 음극(1), 제 1 양의 공기 전극(2) 및 제 2 양의 산소-방출 전극(3)을 포함한다. 각 셀에 대해, 음극(1)과 제 2 양의 산소-방출 전극(3) 사이의 셀에서 순환하는 충전 전류 인가 동안, 음극(1)의 전위의 절대값은 임계 역치값(50)과 비교되고, 음극(1)의 전위는 제 1 양의 공기 전극(2)에 대응하여 결정된다. 음극(1)의 전위(301)의 절대값이 역치값에 도달할 때, 셀에 인가된 전류와 충전 전류 사이의 차에 의존하는 과충전 전류가 전환된다.

Description

금속-공기 배터리의 충전 제어{CHARGE CONTROL OF A METAL-AIR BATTERY}
본 발명은 3개의 전극을 가진 금속-공기 전지(cell)를 포함하는 금속 공기 배터리의 충전 제어의 분야에 관한 것이다.
금속-공기 배터리의 셀은 공기 전극에 연결된 아연, 철 또는 리튬과 같은 금속을 기반으로 한 음극을 사용한다. 가장 일반적으로 사용되는 전해질은 수성 알칼리성 전해질이다.
이러한 배터리의 방전 동안, 산소는 양극에서 환원되고 금속은 음극에서 산화된다:
음극에서 방전: M → Mn+ + ne-
양극에서 방전: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
금속-공기 시스템의 장점은, 양극에서 소비되는 산소가 전극에 저장될 필요가 없고 대기로부터 수집될 수 있기 때문에, 무한 용량의 양극의 사용에 있다. 따라서 금속-공기 타입 전기화학 발전기는 수백의 Wh/kg에 도달할 수 있는 높은 비 에너지로 유명하다.
공기 전극은, 예를 들어 전극에서 유리한 반응 동역학 및 백금과 같은 귀금속의 부존재 때문에 다른 시스템보다 특히 유리한 알칼리 연료 셀에 사용된다. 금속-공기 배터리는 예를 들어 보청기에도 사용된다.
공기 전극은, 액체 전해질과 접촉하는, 일반적으로 탄소 입자의, 다공성 고체 구조이다. 공기 전극과 액체 전해질 사이의 계면은, 전극의 활성 고체 재료, 공기라고 할 수 있는 기체 산화제, 및 액체 전해질이 동시에 존재하는 소위 "3중 접촉" 계면이다. 아연-공기 배터리용 공기 전극의 상이한 유형의 설명은 예를 들어 Journal of Power Sources 195(2010)p. 1271-1291에, 제목 "A review on air cathodes for zinc-air fuel cells"의 Neburchilov V 등의 논문으로 기술된다.
금속-공기 배터리가 전기적으로 재충전될 때, 전류의 방향은 반전된다. 산소는 양극에서 생성되고 금속은 음극에서 환원에 의해 재증착된다:
음극에서 재충전: Mn+ + ne- → M
양극에서 재충전: 4OH- → O2 + 2 H2O + 4e-
금속-공기 배터리는 방전시 매우 잘 작동하지만 충전시 여러 문제가 미해결로 남아있다.
산소 방출과 함께 산화 반응을 수행하기 위해 재충전 방향으로 공기 전극을 사용하는데 많은 단점이 있다. 공기 전극의 다공성 구조는 깨지기 쉽다. 이 구조는 액체 전해질의 산화에 의해 산소를 생산하도록 사용될 때 기체의 방출에 의해 기계적으로 파괴된다는 것이 관찰되었다. 기체 생산에 의해 전극에서 생성된 유압은 공기 전극을 구성하는 탄소 입자들 사이의 결합을 파괴하기에 충분하다.
금속-공기 배터리를 충전하거나 재충전하는데 사용될 때 공기 전극의 열화는 배터리의 수명을 크게 단축한다. 이것은 전기적 재충전 금속-공기 배터리의 제한된 상용 개발의 주요 원인 중 하나이다.
공기 전극을 열화로부터 보호하는 하나의 수단은 산소 방출 반응에 사용되는 제 2 "충전" 전극으로 불리는 제 2 양극을 사용하는 것이다.
그런 후에 공기 전극은 충전 전극과 분리되고 충전 단계 동안 충전 전극만 사용된다. 공기 전극은 충전 단계 동안 불활성 상태를 유지하고 고정된 전위를 유지한다. Z. Starchurski의 미국 특허 3,532,548은 충전 단계에 사용된 제 2 보조 전극을 가진 아연-공기 배터리의 한 예를 기재한다.
금속-공기 배터리, 예를 들어 아연-공기 배터리의 재충전 동안 음극에서 문제가 발생할 수 있다.
충전시, 금속 이온 Mn +는 음극에서 환원되고 이 전극에서의 전위가 충분히 음이 되자마자 금속 형태 M으로 증착된다. 전극 상에 금속의 균일하고 균질한 증착은 이 전극의 충방전 사이클 동안 우수한 성능을 보장하도록 요구된다.
그러나, 특정 조건하에서, 금속은 전극의 표면에 접착력이 불량한 발포체로서 증착될 수 있고, 따라서 전극으로부터 분리되어, 활성 재료의 손실 및 배터리 용량의 손실을 일으킬 수 있다는 것이 발견되었다. 다른 경우에, 금속은 수지상 결정(dendrites)이라고 불리는 불규칙 성장의 형태로 증착될 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 수지상 결정은 충전 중에 양극에 도달하도록 성장하여, 충전을 막는 내부 단락을 일으킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하고 충전 단계 동안 균질한 아연 증착물을 생산하기 위한 시도에서, 특허 WO 2014 083268 A1은 음극의 전위를 임계 역치 이하로 유지할 것을 제안한다. 이 전위는 충전 동안 고정된 전위에서, 공기 전극과 음극 사이의 전압을 측정함으로써 얻어진다.
상기 고려사항은 단일 금속-공기 셀에 관한 것이다. 그러나, 배터리는 일반적으로 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬 연결의 조합으로 서로 연결된 복수의 셀로 구성된다. 이러한 배터리의 충전은 배터리에 직류를 공급하는 단일 충전기를 사용한다. 충전기는 배터리의 일단에 위치하는 셀의 음극 및 배터리의 타단에 위치하는 셀의 충전 양극에 각각 해당하는 배터리의 양 단자에 연결된다.
직렬로 연결된 셀의 배터리를 충전할 때, 배터리를 통해 흐르는 총 전류는 비록 셀이 개별적으로 동일한 충전 상태가 아니어도 일정하게 유지된다. 셀은 또한 상이한 전압일 수 있다. 금속-공기 셀의 애노드에서 산소의 방출은 셀의 두 충전 전극 사이에서 전압의 큰 변동을 초래한다. 실제로, 양극 및 음극 모두가 충전될 수 있고 따라서 모두가 안정한 전위에 있는 밀폐된 배터리의 경우와 달리, 금속-공기 셀의 충전 양극은 활성 재료와 평형을 이루지 않는데, 이는 산소가 외부로 방출되기 때문이다.
금속-공기 셀에서 큰 전압 변동은 이런 배터리의 셀의 음극 상에 금속의 증착에 불규칙성을 강화시킬 수 있다.
종래의 2개 전극 배터리용 충전 제어 장치는 배터리 셀에 충전 전류를 분배하여 모든 전지가 완전히 충전되도록 한다. 이런 충전 제어 장치는 셀이 이전에 획득한 전류-전압 충전 곡선 위의 어디에 있는지를 식별하기 위해 셀의 단자에서 전압을 관찰한다. 충전은 셀 단자의 전압이 특징적인 충전 종점을 초과하면 중단된다. 이런 충전 제어 장치는 전압 변동이 셀의 충전 상태 데이터를 부정확하게 하며 상기한 바와 같이 음극에서 역치 전위를 초과하지 않도록 주의하는 것이 중요한 금속-공기 셀의 배터리에는 적합하지 않다.
상기 제한은 배터리의 충방전 사이클의 횟수를 증가시키고 따라서 유리하게는 배터리에 더 긴 수명을 제공하기 위해 금속-공기 셀로 구성된 배터리의 효과적인 제어를 제공하는 것을 매우 어렵게 만든다. 따라서, 금속-공기 셀로 구성된 전지의 충전 제어 방법 및 이런 배터리의 충전 관리자에 대한 필요성이 존재한다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 적어도 하나의 셀을 포함하는 금속-공기 배터리의 충전을 관리하는 방법을 제공하며, 상기 셀은 적어도 하나의 음극, 제 1 양의 공기 전극 및 제 2 양의 산소-방출 전극을 포함하며, 상기 방법은, 각 셀에 대해, 상기 충전 동안, 음극과 제 2 양의 산소-방출 전극 사이의 충전 전류의 흐름을 초래하는 셀에 대한 전류의 인가 동안 다음 단계를 포함한다:
- 음극의 전위의 절대값을 임계 역치값과 비교하는 단계로서, 음극의 전위는 제 1 양의 공기 전극에 대응하여 결정된다;
- 음극의 전위의 절대값이 역치값에 도달할 때, 셀에 인가된 전류와 충전 전류 사이의 차의 함수인 과충전 전류를 전환하는 단계.
본 발명은 이런 셀의 제한에 적합하며 제 2 충전 전극을 포함하는 셀에 사용할 수 있는 금속-공기 배터리의 충전 제어 방법을 제공한다.
본 발명은 각 금속-공기 셀의 음극의 전위를 이 셀에 대한 기준 전압과 비교한다. 이러한 접근법은 배터리 셀의 충전 상태를 측정하기 위해 관찰된 파라미터가 충전 전극들 사이의 전압인 종래 기술과 상이하다.
본 발명은 모든 상황하에서 음극의 전위를 역치값 이하로 유지하는 이점을 갖는다. 이 효과는 다른 상황에서는 음극의 전위를 역치값 이상으로 증가시킬 수 있는 충전 전류의 일부를 전환함으로써 달성된다. 배터리로부터 셀에 인가된 전류는 두 개의 병렬 경로를 따른다: 전류의 일부는 계속해서 셀에 전력을 공급하고 전해질을 통과하지만, 과잉 부분은 예를 들어 배터리의 적어도 하나의 다른 셀로 재지정된다. 상기 일반적인 용어를 사용하면, 음극의 전위의 절대값이 상기 역치값에 도달할 때, 과충전 전류가 이 셀의 음극으로부터 전환되고, 상기 과충전 전류는 셀에 인가된 전류 및 충전 전류 사이의 차의 함수이다.
충전 전극 사이의 전압 대신에, 배터리 충전 상태를 관찰하기 위한 파라미터로서 음극의 전위를 사용하면 이런 셀을 사용하는 배터리에 대한 효과적인 제어 시스템을 설계하는데 어려움의 원인인 금속-공기 셀의 전압 불안정성 제한을 제거한다.
제 1 양의 공기 전극의 전위는 충전 단계에서 안정하며, 따라서 음극의 변하는 전위를 측정하기 위한 기준 전극으로서 작용할 수 있다. 따라서, 음극과 제 1 양의 공기 전극 사이의 전압은 음극의 전위에 접근한다. 음극의 전위를 측정함으로써, 본 발명은 일반적으로 전술한 바와 같이 산소 방출 반응으로부터 전형적으로 기원하는 양의 충전 전극에서 발생하는 전위의 높은 변동을 제거한다. 따라서, 본 발명은 음극의 전위를 기준값으로도 불리는 역치값 이하로 유지하면서 충전 동안 셀의 바람직하지 않은 열화를 피하게 한다.
셀에서 측정된 음극 전위는 셀이 연결된 인접 셀의 상태에도 영향을 받지 않는다. 따라서, 본 발명의 충전 제어 방법은 배터리에서 셀의 수에 의존하지 않는다. 이 방법은 인접 셀의 상태와 독립적으로 각각의 셀에 대해 구현될 수 있다.
따라서, 본 발명의 충전 제어 방법은 전위가 전위에 대한 임계 역치값을 초과할 때를 정확하게 식별하고, 셀을 손상시킬 수 있고 배터리의 서비스 수명을 감소시킬 수 있는 음극 상에 발포체 또는 수지상 결정(dendrite)의 형성을 방지한다.
표준 2개-전극 배터리에 사용되는 충전 제어 장치는 일반적으로 "전부 아니면 전무"(all-or-nothing) 시스템으로 작동하는 단점이 있다. 일반적으로, 충전 관리자가 충전 완료를 나타내는 기준 전압과 단자의 전압을 비교하여 셀이 재충전되었다고 결정할 때 모든 전류가 전환된다. 음극의 전위에 원하지 않는 상승을 일으키는 과충전 전류를 단지 재지정함으로써, 본 발명은 음극의 전위가 역치값에 도달한 경우에도 금속-공기 셀의 충전을 지속하게 한다.
한 유리한 실시태양에서, 셀의 과충전 전류는 인접 셀 또는 충전기로 전환될 수 있다.
"인접 셀"이란 용어는 해당 셀의 첫 번째 이웃을 의미한다. 하나의 셀에서 다음 셀로의 과전류 배분은 다수의 셀을 포함하는 배터리에서 충전 전류 배분을 관리하기에 적합하다는 것이 발견되었다.
통상적으로, 셀의 과충전 전류는 인접 셀로 전환될 수 있다. 과충전 전류는 또한, 예를 들어 제 2 양의 산소-방출 전극이 배터리 충전기의 양극 단자에 연결된 셀에 대해, 배터리의 충전기로 전환될 수 있다.
음극 전위의 임계 역치값에 도달할 때 발생하는 과충전 전류의 전환은 상이한 충전 상태에 있을 수 있는 인접 셀에 사용될 수 있다.
유리하게는, 각각의 셀의 경우, 임계 역치값은 충전이 시작될 때 전위를 기초로 설정될 수 있다.
충전하는 동안, 아연을 생성하는 아연산염 이온의 환원과 수소를 생성하는 물의 환원 사이에서 음극에 대한 경쟁이 있다. 음극의 전위가 높아져 더욱 음이 될수록, 제 2 수소 생성 반응의 발생 확률이 높아진다. 충전이 시작될 때 전위에 기초하여 환원 전위의 상한을 설정함으로써, 수소 생성 반응의 발생 및 전지의 손상의 위험이 감소될 수 있다. 음극에서 초과하지 않은 전위의 역치값을, 충전이 시작될 때 음극의 전위에 해당하는 값에 예를 들어 10%의 증가분을 더한 것으로 설정하는 것이 가능하다.
한 실시태양에 따라, 임계 역치값은 규칙적인 시간 간격으로 재평가될 수 있다.
통상적으로 100회 충방전 사이클 후, 금속-공기 배터리 셀의 충전 전류-전압 특성은 보존을 위해 취해진 모든 예방 조치에도 불구하고, 변할 수 있다. 그러므로 상기한 방법을 사용하여, 규칙적인 시간 간격으로 전위에 대해 역치값을 조정함으로써 이를 고려하는 것이 현명하다. 이러한 평가는, 예를 들어, 소정의 수의 충방전 사이클 후에, 셀의 점진적인 열화를 설명하기 위해 수행될 수 있다.
하나의 특정 실시태양에 따라, 가변 임피던스의 구성요소를 포함하는 아날로그 회로가 제공될 수 있으며, 과충전 전류의 전환은 상기 구성요소의 임피던스를 변경함으로써 구현된다.
음극의 전위가 전위에 대한 역치값에 도달할 때 과충전 전류를 전환하기 위해, 아날로그 소자의 임피던스가 전압의 함수로서 변경될 수 있는 아날로그 소자의 사용이 이에 적용되는 것은 과충전 전류의 신속한 전환을 허용한다. 예를 들어 달링턴(Darlington) 트랜지스터와 같은 전력 트랜지스터의 사용에 기초할 수 있는 이런 전환 메커니즘은 금속-공기 셀에 매우 적합할 수 있다.
특히, 상기 구성요소의 임피던스는 음극의 전위와 상기 역치값 사이의 차를 나타내는 양의 함수로서 적어도 변할 수 있고, 상기 과충전 전류를 구성요소로부터의 출력으로서 전달할 수 있다.
과충전 전류를 전환하기 위해 아날로그 구성요소의 활성화를 조절하는 수단으로서 음극의 전위와 역치값 사이의 차의 사용은 셀을 잠재적 열화로부터 보호하는데 적합한 수단을 제공한다. 그런 후에, 셀에 인가된 모든 전류는 충전이 시작될 때 셀 속을 통과하며, 음극의 전위가 역치값보다 작을 때 일단 역치값에 도달하면, 셀에 인가된 전류 및 셀을 통과하는 전류 사이의 차와 동일한 과잉 전류는 다른 셀로 전환된다.
한 실시태양에 따라, 음극의 전위의 측정은 음극과 제 1 공기 전극 사이의 전압 안정화 필터링을 포함할 수 있다.
금속-공기 셀의 충전 동력학은 전해질에서 전하 캐리어의 이동을 초래하고, 노이즈를 생성하고, 이 노이즈에 민감한 셀의 음극 전위의 측정을 가능하게 할 수 있다. 전류 및 전압의 변화는 노이즈로 인해 유발될 수 있으며 금속-공기 셀의 충전 제어를 방해할 수 있다. 예를 들어 차동 아키텍처(differential architecture)에서 연산 증폭기에 의한 캐소드와 공기 전극 사이에서 측정된 전압을 필터링하면 고주파 전압 변동을 차단한다. 따라서, 음극의 측정된 전위는 배터리의 충전 제어 동안 제어 바이어스(control bias)를 도입할 수 있는 급격한 변동에 영향을 받지 않는다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 셀을 포함하는 금속-공기 배터리의 셀에 대한 충전 관리자에 관한 것으로, 상기 셀은 적어도 하나의 음극, 제 1 양의 공기 전극 및 제 2 양의 산소-방출 전극을 포함하고, 상기 충전 관리자는 충전 동안, 음극과 제 2 양의 산소-방출 전극 사이에 충전 전류의 흐름을 초래하는 셀에 대한 전류의 인가 동안,
- 음극의 전위의 절대값을 임계 역치값과 비교하고, 음극의 전위는 제 1 양의 공기 전극에 대응하여 결정된다;
- 음극의 전위의 절대값이 역치값에 도달할 때, 셀에 인가된 전류와 충전 전류 사이의 차의 함수인 과충전 전류를 전환하도록 배열된 각각의 셀을 위한 전자 회로를 포함한다.
이런 충전 관리자의 구성 요소는 상기 방법의 효과적인 구현을 가능하게 한다. 특히, 2개의 충전 전극 사이의 전압을 사용하지 않고 대신에 음극의 전위를 사용하고 이 전위를 임계 역치값과 비교함으로써, 본 발명은 음극에서의 높은 전위에 의해 유발될 수 있는 손상으로부터 효과적으로 셀을 보호한다. 따라서, 본 발명은 위에서 설명한 바와 같이 충전 전극들 사이의 상당히 전압이 변동하는 금속-공기 셀에서 발생하는 문제점을 해결한다.
전자 회로는 역치값 이상으로 전극의 전위를 증가시킬 전류에 해당하는 과충전 전류를 전환함으로써 셀의 충전을 제어한다. 과충전 전류의 이런 전환은 음극의 전위가 역치값에 도달할 때 효과적으로 발생한다.
따라서, 본 발명의 충전 관리자는, 배터리의 다른 셀의 충전 상태 및/또는 전위에 관계없이, 이들을 보호하고 장수명을 보장하면서 각 셀의 충전 상태를 제어하게 한다.
특히, 아날로그 회로는 상기 인접 셀 또는 충전기에 대한 각각의 연결을 통해 과충전 전류를 인접 셀 또는 충전기로 전환할 수 있다.
한 실시태양에 따라, 과충전 전류를 전환하기 위한 아날로그 회로는 가변 임피던스의 구성요소를 포함할 수 있으며, 과충전 전류의 전환은 상기 구성요소의 임피던스를 변경함으로써 구현된다.
특히, 가변 임피던스의 구성요소는 전력 트랜지스터이다.
전력 트랜지스터의 사용은 과잉 전류를 전환하는데 빠른 응답 시간을 제공한다. 또한, 전력 트랜지스터는 수백 마이크로 초 내에 3 암페어 정도의 강한 전류를 전환하기 위해 이런 아날로그 구성요소를 제어하는데 에너지를 거의 필요로 하지 않는다.
특히, 전력 트랜지스터는 달링턴 트랜지스터일 수 있다.
달링턴 트랜지스터는 수 mA의 낮은 전류를 필요로 하는 명령에 의해 제어될 때 수 암페어의 강한 전류를 전환하는데 적합한 구성요소로서 사용될 수 있다. 또한, 달링턴 트랜지스터는 음극의 전위가 역치값에 접근할 때 및 더욱 특이적으로 이런 전위가 역치값에 도달할 때 금속-공기 셀로부터 전류를 전환하는데 응답 시간 요건을 만족시킬 수 있다.
한 실시태양에 따라, 충전 관리자는 음극과 제 1 양의 공기 전극 사이의 전위차를 측정하기 위한 전자 회로를 추가로 포함할 수 있다.
한 실시태양에 따라, 전자 측정 회로는 전압 안정화 필터를 포함할 수 있다.
금속-공기 셀의 충전 동력학은 전해질에서 전하 캐리어의 이동을 초래하고, 노이즈를 생성하고 이 노이즈에 민감한 셀의 음극 전위의 측정을 가능하게 할 수 있다. 이는 충전 전극을 관통하는 전압에서 통상적으로 75Hz를 초과하는 급격한 변동일 수 있다. 노이즈 감소를 위해, 본 발명은 예를 들어 저역-통과 필터로서 작동하는 연산 증폭기를 사용하는 차동 증폭기에 기초한 측정을 사용할 수 있다. 이러한 방식으로, 음극 전위의 측정은 본 발명에서 통상적으로 일반적으로 75Hz 이상의 주파수인 고주파 노이즈와 관련된 바이어스에 의해 오염되지 않는다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 셀을 포함하는 배터리에 관한 것이며, 각각의 셀은 상기한 바와 같이 적어도 음극, 제 1 양의 공기 전극, 제 2 양의 산소-방출 전극 및 충전 관리자를 포함한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
본 발명의 방법은 설명을 위해 제공되며 결코 제한적이지 않은 일부 예시적인 실시태양에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 그리고 첨부된 도면을 관찰함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 3개의 전극을 가진 금속-공기 셀의 개략도이다.
도 2는 직렬로 연결된 3개의 금속-공기 셀로 구성되며 과충전 전류를 전환하기 위한 부재를 포함하는 배터리의 개략도이다.
도 3은 3개의 전극을 가진 금속-공기 셀에 대한 충전 관리자의 개략도이다.
도 4는 금속-공기 셀의 음극의 전위를 측정하기 위한 회로의 회로도이다.
도 5a 및 5b는 기준 역치 전위 및 음극의 측정 전위 사이의 차에 해당하는 차를 추정하기 위한 회로의 회로도이다.
도 6은 도 5a 및 5b의 회로도에 따라 측정된 차를 조정하기 위한 회로의 회로도이다.
도 7은 과충전 전류를 전환하기 위해 가변 임피던스의 구성요소를 제어하는 전압을 얻기 위한 회로의 회로도이다.
도 8은 과충전 전류를 인접 셀에 전환하기 위해 달링턴 트랜지스터의 활성화를 제어하기 위한 회로의 회로도이다.
명확성을 위해, 이들 도면에 나타난 다양한 요소의 치수는 반드시 실제 치수와 비례하지는 않는다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소에 해당한다.
본 발명은 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬 연결의 조합으로 연결된 금속-공기 셀로 구성된 배터리의 충전에 관한 것이다.
서비스 수명의 관점에서 가장 성공적이고 효과적인 금속-공기 셀은 도 1에 나타낸 것과 같은 3개-전극 셀이다. 도 1은 단일 금속-공기 셀(10)로 구성된 배터리를 개략적으로 예시한다. 이런 셀(10)은 통상적으로 알칼리 용액으로 형성된 전해질(4)을 포함한다. 통상적으로 아연, 철 또는 리튬과 같은 금속의 음극(1)은 충전기(5)의 음극 단자에 연결된다. 제 1 양의 공기 전극(2)은 방전시 전력 회로에 사용된다. 충전시, 제 1 양의 공기 전극(2)은 음극(1)의 전위 측정용으로만 사용된다. 작동, 충전 또는 방전 모드는 릴레이와 같은 스위칭 수단(6)에 의해 선택될 수 있다. 제 2 양의 산소-방출 전극(3)은 배터리를 충전할 때에만 사용된다. 셀 어셈블리는 배터리 관리 시스템 또는 BMS로 불리는 충전 관리자(7)에 의하여 충전할 때 제어된다.
충전 단자(1 및 3) 사이에서 발생하는 큰 전압 변동 때문에, 종래의 2개-전극 배터리에 사용된 충전 관리자는 금속-공기 셀을 포함하는 배터리에 적합하지 않다. 충전 단계 동안 전극 상에 금속 이온의 증착 동안 수지상 결정 또는 발포체의 형성을 피하기 위해 음극의 전위를 역치값 이하로 유지하는 것이 또한 유리하다.
복수의 셀을 포함하는 배터리가 충전될 때, 충전기(5)에 의해 전달된 직류는 각 셀의 전위에 관계없이 배터리의 모든 셀을 통과한다. 충전 속도는 셀마다 다를 수 있으며, 따라서 배터리를 충전할 때 각 셀의 음극의 전위에서 큰 격차가 발생할 수 있으며 전위의 임계 역치값이 일부 셀에서 초과되어 배터리 열화에 기여할 수 있다.
도 2는 본 발명의 충전 관리자(7)가 각각 구비된 직렬 연결된 3개의 금속-공기 셀을 포함하는 전지를 개략적으로 예시한다. 충전기에 의해 전달된 충전 전류는 배터리의 일단에 위치한 셀(11)의 음극(1)에 연결된 음극 단자와 배터리의 타단에 위치한 셀(12)의 제 2 산소-방출 전극(3)의 양극 단자 사이를 흐른다. 본 발명은 셀(1)의 음극 전위의 값의 측정값을 수신하고, 이 값을 초과하지 않는 기준값에 해당하는 역치값과 비교하고 역치값에 도달하면 과충전 전류를 전환하기 위한 부재를 작동시키도록 만들어진 충전 관리자(7)를 배터리의 각 셀과 연관시킨다.
과충전 전류는 셀 입력 전류라고 불리는 셀에 인가된 전류 및 음극으로부터 제 2 양의 산소-방출 전극까지 전해질을 통해 셀을 실제로 통과하는 전류 사이의 차와 동일한 전류로 정의될 수 있다.
도 3은 본 발명의 충전 관리자(7)에 포함될 수 있는 주요 구성요소를 개략적으로 예시한다. 명확성을 위해, 이 도면은 충전기(5)에 의해 공급된 단일 셀을 예시한다.
충전 관리자(7)는 제 1 양의 공기 전극(2)과 음극(1) 사이의 전위차의 측정을 통해 음극(1)의 전위를 측정하기 위한 전자 회로(40)를 포함한다. 회로(40)에 의해 측정된 값은 조절 전자 회로(80)에 전송될 수 있다. 이 회로(80)는 또한 고정된 값 또는 소정 수의 충방전 사이클 후에 재평가된 값일 수 있는 기준 역치값(50)을 수신할 수 있다. 회로(80)는 충전 전류를 전환하기 위한 부재(70)를 형성하는 제 2 전자 유닛을 제어하기 위해 측정된 전위의 값을 기준 역치값(50)과 비교하는 조절 보정기(60)로서 작용하는 제 1 전자 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 충전 관리자(7)는 2진 제어가 아니라 과충전 전류의 전환의 아날로그 제어를 제공한다는 점에서 종래 기술의 충전 관리 장치와 추가로 구별된다. 따라서, 전환된 충전 전류의 양은 음극의 전위가 기준값(50)에 도달할 때 전류의 일부가 여전히 셀을 통과하는 양일 수 있다. 그러나, 이런 전환은 역치값에 도달 할 때에만 진정으로 일어날 수 있다.
셀을 충전하는 것은 비선형 프로세스라는 점에 유의해야 한다. 따라서, 충전 사이클의 시작시에, 셀을 통해 이동하는 전류는 높을 수 있고, 음극(1)의 전위는 역치값(50) 이하일 수 있다. 음극(1)의 전위는 금속 이온이 음극(1) 상에서 환원됨에 따라 증가한다. 그러나, 충전기는 셀에 정전류를 공급한다. 본 발명은 음극의 전위를 역치값(50) 이하로 유지하면서 배터리를 충전하는 제 1 단계에서 셀을 통해 일정한 전류를 유지한다. 음극(1)의 전위가 역치값에 도달하면, 과전류는 다른 셀로 전환된다. 전류의 잔여 부분은 셀을 손상시키지 않으면서 배터리의 충전을 완료한다. 일정량의 전류가 배터리에 공급될 때 배터리 충전을 종료하는 것이 일반적이다. 본 발명은 충전기(5)로부터의 전류의 일부 또는 전부를 여전히 사용할 수 있는 배터리 내의 셀에 과충전 전류를 재배분할 수 있게 하기 때문에, 배터리의 모든 셀을 완전히 충전하는 전류량에 해당하는 것으로 미리 측정된 값을 기초로 하여 충전기에 의해 전달된 총 전류에 따라 충전을 종료하는 것이 가능하다.
도 4 내지 8은 상기한 구성요소(40, 80, 60 및 70)의 하나의 특정 예시적인 실시태양에 대한 전자 회로를 예시한다. 측정 기능, 기준값에 대한 전위의 비교 및 전환 부재의 관리를 수행하기 위한 다른 기술적 수단에 기초한 대안적인 실시태양이 상기한 충전 제어 방법을 구현하는데 사용될 수 있다.
도 4는 음극(1)의 전위를 측정하기 위한 전자 회로(40)의 예를 나타낸다. 이 회로(40)는 일반적으로 0V 내지 6V에 해당하는 전압 범위 내에서 작동할 수 있도록 선택될 수 있는 차동 증폭기(2001)로 구성된다. 이 전압 범위의 값은 일반적으로 배터리에 포함된 셀의 수에 의존한다. 증폭기(2001)의 음극 단자는 저항기(4001)를 통해 음극(1)에 연결될 수 있다. 이 전극의 전위(101)는 V-로 표시된다. 양극 단자는 저항기(4002)를 통해 제 2 양의 산소-방출 전극(2)에 연결될 수 있다. 접지된 저항기(4003)는 저항기(4002)와 증폭기(2001) 사이에 삽입될 수 있다. 이 전극의 전위(102)는 V+로 표시된다. 증폭기는 피드백 저항기(4004)를 포함할 수 있다. 회로(40)의 출력시에, 음극(1)의 전위에 해당하는 Vdiff로 표시된 전압(301)이 얻어질 수 있다.
전압을 측정하기 위한 연산 증폭기의 사용은 관련된 낮은 전압 및 전류로 인해 금속-공기 셀과 관련하여 특히 유리할 수 있다. 사실, 연산 증폭기를 사용하면 측정 전극 1과 2의 전기적 상태를 거의 파괴하지 않고 측정할 수 있다. 또한, 연산 증폭기는 제어 바이어스를 도입할 수 있는 전압 변동을 제거하는 저역-통과 필터로서 작동할 수 있다. 대안으로, 전위 측정 어셈블리의 상류 또는 하류에 저역-통과 필터를 사용할 수 있다.
하나의 특정 실시태양에서, 저항기(4001-4004)는 2.2kOhm과 동일하게 선택될 수 있고 연산 증폭기는 LT1001A® 증폭기로 선택될 수 있다. 이러한 형태의 어셈블리는 4.2mW의 전력 소실로, V-에 연결된 라인 상에서 1.4mA의 전류 및 1.1mW의 전력 소실로, V+에 연결된 라인 상에서 0.7mA의 전류를 허용한다. 이런 값은 도 4 내지 8의 다양한 회로 사이의 상호연결 때문에 작은 변화에 영향을 받을 수 있다.
전압(301)은 도 5b에 도시된 바와 같이 기준값과의 비교를 위해 조절 보정기(60)로 보내질 수 있다.
도 5a, 5b 및 6은 도 3의 조절 보정기(60)의 예시적인 실시태양으로서 전자 회로를 도시한다.
도 5a는 역치값(Vref)에 해당하는 전압(50)의 부호를 변경하기 위한 반전 증폭기 어셈블리를 제안한다. 이 어셈블리는 양극 단자가 저항기(5002)를 통해 접지될 수 있는 연산 증폭기(2002)를 포함한다. 음극 단자는 저항기(5001)를 통해 기준 전압(50)에 연결될 수 있다. 피드백 저항기(5003)가 또한 제공될 수 있다.
저항기(5001-5003)는 예를 들어 2.2kOhm의 값을 가질 수 있다. 증폭기 (2002)는 증폭기(2001)와 동일한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 도 5a의 어셈블리는 1.3V 내지 1.7V의 입력 전압(50)을 반전하도록 만들어질 수 있다. 반전하는 증폭기의 출력 전압(51)의 절대값은 또한 1.3V 내지 1.7V 일 수 있다. Vref 입력을 포함하는 라인의 최대 전류는 0.8 mA일 수 있다. 각 저항기에 의해 소실된 전력은 1.4 mW일 수 있다.
도 5a의 어셈블리의 출력(51)은 도 5b의 합산-인버터 어셈블리에 대한 입력으로 사용된다.
도 5b의 반전 합산 증폭기 어셈블리는 기준값(50)과 음극(1)의 전위를 나타내는 전압(301) 사이의 차를 계산하기 위해 제공될 수 있다. 반전 합산 증폭기 (2003)의 음극 단자는 저항기(5004)를 통해 전압(51)에 도달된 라인에 연결될 수 있다. 또한 저항기(5005)를 통해 전압(301)에 도달된 라인에 연결될 수 있다. 증폭기(2003)의 양극 단자는 저항기(5006)를 통해 접지될 수 있으며, 증폭기(2003)는 피드백 저항기(5007)를 가질 수 있다. 증폭기(2003)는 기준값(50)과 전압 (301)에 의해 주어진 음극(1)의 전위 사이의 차에 해당하는 Vref-Vdiff로 표시된 전압(53)을 출력할 수 있다.
하나의 특정 실시태양에서, 저항기(5004-5007)는 2.2kOhm의 값을 가질 수 있고, 증폭기(2003)는 증폭기(2001 및 2002)와 동일할 수 있다. 출력 전압(53)은 -1.7V와 1.3V 사이에서 변할 수 있다. 전압(301)에 도달된 라인에서 최대 전류는 1.4mA일 수 있고, 전압(51)에 도달된 라인에서 최대 전류는 0.8 mA일 수 있고, 최대 출력 전류는 0.8 mA일 수 있다. 출력(53)은 통상적으로 입력 라인 상의 저항기에 의해, 도 6의 반전 증폭기 어셈블리에 연결되기 때문에, 도 5b의 어셈블리의 최대 전류 및 전력 소실을 보다 정확하게 추정하는 것이 가능하다. 전압(301)에 도달된 라인에서 최대 전류는 2.1mA일 수 있고, 전압(51)에 도달된 라인에서 최대 전류는 1.6mA일 수 있다. 이런 어셈블리의 전력 소실은 26mW일 수 있다.
도 6의 어셈블리는 과충전 전류를 전환하기 위한 부재에 대한 제어 전압을 구성하기 위해 전압차(53)를 증폭시키는 반전 증폭기 어셈블리에 해당한다. 도 6의 어셈블리는 상기 차(53)에 진폭 이득(gain)을 도입한다. 이 진폭 이득은 음극에서의 전위 및, 초과하면 도 8에 나타낸 가변 임피던스의 구성요소(81)가 셀에 인가된 전류의 일부를 전환하기 시작하는 기준값(50) 사이의 차의 값을 조정한다. 따라서, 음극의 전위가 기준값(50)에 도달하지 않은 경우에도 후술하는 가변 임피던스의 구성요소(81)가 셀에 인가된 전류의 작은 부분을 전환할 수 있도록 진폭 이득을 선택하는 것이 가능하다.
증폭기(2004)의 음극 단자는 저항기(6001)를 통해 전압(53)에 도달된 라인에 연결될 수 있다. 양극 단자는 저항기(6002)를 통해 접지될 수 있다. 통상적으로 10 kOhm과 300 kOhm 사이에서 조정 가능한 저항 전위차계(6003)가 피드백 저항기로 역할을 할 수 있다. 따라서 반전 증폭기의 진폭 이득이 조정될 수 있다. 증폭기(2004)의 양극 단자 및 음극 단자에서 입력 전류는 통상적으로 피드백 저항의 높은 값으로 인해 무시될 수 있다. 도 6의 어셈블리는 알파 진폭 이득에 곱해진 전압(53)에 해당하는 제어 전압(54)을 출력할 수 있다. 이런 진폭 이득은 저항기(R6003 및 R6001)의 관점에서 -R6003/R6001와 동일하게 표현된다. 증폭기(2004)는 증폭기(2001-2003)와 동일할 수 있고, 저항기(6001)는 1 kOhm의 값을 가질 수 있고, 저항기(6002)는 2.2 kOhm의 값을 가질 수 있다.
전위차계를 피드백 구성요소로 사용하면 상기한 대로 진폭 이득을 각 셀의 특성에 맞출 수 있다. 전위차계의 저항은 사용 전에 한 번 교정하여 조정될 수 있거나 정해진 수의 충방전 사이클 이후 재교정될 수 있다.
입력 전압(53)을 안정화시키기 위해, 저항기(6001)의 상류에 저역-통과 필터, 예를 들어 75㎐의 차단 주파수를 갖는 저역 통과 필터를 부가하는 것이 가능하다. 이러한 필터는 도 8에 나타낸 가변 임피던스의 구성요소에서 과잉 전류의 전환을 교대로 일으키고 중지하는 원치않는 효과를 가질 수 있는 전압 진동을 제한한다.
전류 전환 부재(70)는 이하에 기술된, 전력 트랜지스터와 같은 가변 임피던스 구성요소에 대한 제어 전압을 생성하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 도 7은 제어 전압(54)이 이러한 제어 전압을 생성하기 위해 음극(101)의 전위에 부가되는 배열을 도시한다. 이런 배열은 반전된 합산 증폭기(2005)와 직렬 연결된 반전 증폭기 (2006)로 구성된다. 증폭기(2005)의 음극 단자는 저항기(7002)를 통해 전압(54)에 도달된 라인 및 저항기(7001)를 통해 전압(101)에 도달된 라인에 연결될 수 있다. 양극 단자는 저항기(7003)를 통해 접지될 수 있다. 피드백 저항기(7004)가 제공될 수 있다.
증폭기(2005)의 출력은 저항기(7005)를 통해 증폭기(2006)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 증폭기(2006)의 양극 단자는 저항기(7006)를 통해 접지될 수 있다. 피드백 저항기(7007)가 제공될 수 있다. 증폭기(2006)로부터의 출력으로서, 어셈블리는 전압(101)과 전압(54)의 합에 해당하는 전압(55)을 전달할 수 있다.
한 특정 실시태양에 따라, 저항기(7001-7007)는 2.2 kOhm의 값을 가질 수 있다. 증폭기(2005 및 2006)는 증폭기(2001-2004)와 동일할 수 있다.
증폭기가 레일 투 레일(rail-to-rail)로 동작할 수 있을 때 전압(54)은 -15V와 +15V 사이에서 변할 수 있고; 전압(101)은 통상적으로 0 내지 3V 사이에서 변할 수 있다. 따라서, 증폭기가 레일 투 레일(rail-to-rail)로 동작을 할 수 있을 때 전압(55)의 최대값은 15V일 수 있고 최소 전압은 -15V 일 수 있으며, 증폭기(2005)는 포화 상황의 한계에 있는 이런 극단 내에서 작동한다.
도 8과 관련하여 제공될 것과 같이, 다이오드는 전압(55) 및 도 8의 전압 팔로워 어셈블리의 상류에 도달된 라인의 출력에 제공될 수 있다. 다이오드가 음의 인가된 전압에 대해 전류의 통과를 방지하기 때문에, 반전 증폭기(2006)로부터 출력되는 전류를 추정할 수 있다. 증폭기(2006)로부터 최대 출력 전류는 7mA일 수 있다. 반전 단자의 전압이 1V에 가까울 때, 증폭기(2006)의 전력 소실은 7mW일 수 있다. 저항기(7002)를 포함하는 라인에서 7mA의 전류 및 저항기(7001)를 포함하는 라인에서 0.9mA의 전류에 대해, 증폭기(2006)의 피드백은 7mA의 전류를 추가할 수 있고, 증폭기(2005)로부터의 최대 출력 전류는 15mA일 수 있다는 것이 알려져 있다.
레일-투-레일 증폭기(2005)의 전력 소실은 15mW일 수 있다.
이 정보로부터, 포화 작동 동안 증폭기(2004)의 전력 소실을 7mW로 추정할 수 있다. 증폭기(2004)의 최대 전력 소실은 30mW일 수 있고, 증폭기(2005)의 최대 전력 소실은 60mW일 수 있고, 증폭기(2006)의 최대 전력 소실은 30mW일 수 있다.
도 8은 후술하는 가변 임피던스의 구성요소에 대한 제어 전압을 생성하는 전압 팔로워 어셈블리를 예시한다. 이 어셈블리는 제어 신호(55)를 정류하고 가변 임피던스 구성요소를 보호하기 위한 다이오드(801)를 포함한다. 1N914 형태의 다이오드가 예를 들어 사용될 수 있다.
증폭기(2007)는 유리하게 +15V의 전압만 공급되고, 다른 단자는 접지되어, 가변 임피던스의 구성요소(81)에 음의 전압을 공급하는 것을 방지한다는 점에서 증폭기 (2001-2006)와 상이할 수 있다. LT1006 형태의 증폭기가 예를 들어 사용될 수 있다. 증폭기(2007)의 양극 단자는 저항기(8001)를 통한 접지를 위한 연결부를 포함할 수 있다. 다이오드(801)의 최대 전류는 0.12mW의 전력 소실에 대해 0.2mA일 수 있다. 저항기(8001)의 전력 손실은 이 저항기의 저항값이 100kOhm일 때 4mW일 수 있다. 증폭기(2007)는 정류된 전압(56)을 출력할 수 있다. 따라서, 이 증폭기(2007)는 통상적으로 작은 전류가 다이오드(801)를 통과하게 한다. 증폭기 (2007)의 부존재시, 다이오드(801)의 치수는 달링턴 트랜지스터를 제어하기에 충분한 전류의 전달에 역할을 할 수 있다.
증폭기(2007)로부터 출력되는 최대 전력의 특성은 과충전 전류를 전환하는 가변 임피던스의 구성요소(81)에 대한 제어 요구 사항에 의해 규정된다. 예를 들어, 달링턴 트랜지스터와 같은 전력 트랜지스터일 수 있는 도 8의 가변 임피던스의 구성요소(81)는 유리하게 적어도 3A의 전류의 전환을 보장하도록 제공될 수 있다. 도 8의 달링턴 트랜지스터(81)에 대한 100의 최소 진폭 이득을 고려하면, 반전 증폭기(2007)로부터 출력되는 제어 전류는 30mA와 동일할 수 있다. 고-상태 전압이 13V로 고려되기 때문에, 달링턴 트랜지스터의 제어 저항은 대략 400 Ohm 일 수 있다. 증폭기(2007)의 최대 전력 소실은 150mW일 수 있다.
도 8의 달링턴 트랜지스터(81)는 저항기(8002)를 통해 제어 전압(56)에 도달된 라인에 연결될 수 있다. 이 제어 전압은 달링턴 가변 임피던스 장치의 제 1 트랜지스터의 기부에 전력을 공급할 수 있다. 달링턴 가변 임피던스 장치의 제 2 트랜지스터의 이미터는 전위(101)에 도달된 전류 셀의 음극(1)에 연결될 수 있다. 달링턴 가변 임피던스 장치(81)의 제 1 및 제 2 트랜지스터에 공통인 컬렉터는 배터리의 다음 셀의 음극에 연결될 수 있다.
저항기(8002)는, 예를 들어, 1 kOhm과 동일하도록 선택될 수 있다. 이 저항기의 값을 선택하면 달링턴 트랜지스터의 제어 전압을 조정하게 한다. 따라서, 달링톤 트랜지스터의 응답은 전위차계(6003)의 도움으로, 도 6의 반전 증폭기에서 이득의 선택에 의해, 또한 저항기(8002)의 선택에 의해 조정될 수 있다.
달링턴 트랜지스터의 기부는 기부에 인가된 전압이 달링턴 트랜지스터가 전도성이 되기에 충분할 때, 과충전 전류가 배터리 내의 전류 셀의 음극으로부터 다음 셀의 음극으로 통과하게 한다. 실제로, 상기한 조절 회로의 구성은 음극의 전위가 역치값(50)을 초과하지 않게 하면서, 역치 전위(50)에 도달하거나 적어도 이에 유사하게 가까워질 때, 달링턴 트랜지스터가 전도성이 되는 것이다. 이 경우, 당해 셀에 인가된 전류는 2개의 별개의 경로를 취할 수 있다: 전류의 일부는 2개의 충전 전극 사이의 전해질을 통해 흐를 수 있고, 잔여 부분은 달링턴 트랜지스터(81)를 통해 이동할 수 있다.
달링턴 트랜지스터(81)에 의해 셀로부터 전환된 전류는 음극(1)의 전위를 역치 이하의 값으로 유지하기 위해 셀에 인가된 전류의 일부만이 두 충전 전극 사이의 전해질을 통과하게 되는 것일 수 있다. 따라서, 달링턴 트랜지스터(81)는 가변 임피던스의 아날로그 구성요소로서 작동하며, 이 변동은 달링턴 트랜지스터(81)의 기부에 공급된 제어 전압(56)에 의해 제어된다. 달링턴 구성요소(81)의 응답은 일반적으로 전도 상태에서 얻은 높은 진폭 이득 때문에 지수적이기 때문에, 음극(1)의 전위를 역치값(50) 이상으로 상승시킬 수 있는 전류의 통과가 방지된다. 제어 전압 (56)은 음극(1)의 전위와 역치값(50) 사이의 차에 기초한다. 그런 후에 이런 조절은 음극(1)의 전위(101) 사이의 차와 상관된 방식으로 달링턴 트랜지스터의 임피던스를 적응시키는데 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 배터리의 충전을 조절하는 시스템은, 특히 40 마이크로 초로 추정되는, 사용된 연산 증폭기의 응답 시간으로 인해, 수백 마이크로 초의 응답 시간을 제공할 수 있다. 가변 임피던스의 달링턴 구성요소(81)는 통상적으로 10 나노초 정도의 빠른 응답 동력학을 가진다. 이는 제 1 트랜지스터의 기부에 공급된 5mA의 전력으로 최대 5A의 전류 변환을 허용한다.
게다가, 본 발명은 예로서 위에 제공된 특정 실시태양에 제한되지 않는다.
예를 들어, 과충전 전류를 인접 셀 이외의 다른 곳으로 전환하는 것이 가능하다. 전환된 충전 전류는, 예를 들어, 에너지 저장 장치에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 단일 금속-공기 셀을 포함하는 배터리뿐만 아니라 전기적으로 상호연결되는 복수의 금속-공기 셀을 포함하는 배터리에서 구현될 수 있다.
구성요소(저항기, 증폭기)의 선택은 본 발명이 적은 에너지를 요구하면서 빠른 응답 시간으로 높은 강도의 전류를 조절할 수 있음을 예시하기 위해 단지 예시적인 실시태양으로서 제공되었다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 셀(10, 11, 12)을 포함하는 금속-공기 배터리의 충전을 관리하는 방법으로서, 상기 셀은 적어도 하나의 음극(1), 제 1 양의 공기 전극(2) 및 제 2 양의 산소-방출 전극(3)을 포함하며, 상기 방법은, 각 셀에 대해, 충전 동안 음극(1)과 제 2 양의 산소-방출 전극(3) 사이의 충전 전류의 흐름을 초래하는 셀에 대한 전류의 인가 동안 다음 단계:
    - 음극(1)의 전위(301)의 절대값을 임계 역치값(50)과 비교하는 단계로서, 음극(1)의 전위는 제 1 양의 공기 전극(2)에 대응하여 결정되는 단계;
    - 음극(1)의 전위(301)의 절대값이 임계 역치값(50)에 도달할 때, 인접 셀로 또는 충전기(5)로 과충전 전류를 전환하고, 상기 과충전 전류는 셀에 인가된 전류와 충전 전류 사이의 차의 함수인 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 셀의 경우, 임계 역치값(50)은 충전이 시작될 때 음극의 전위를 기초로 설정되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    임계 역치값(50)은 규칙적인 시간 간격으로 재평가되는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가변 임피던스의 구성요소(81)를 포함하는 아날로그 회로가 제공되며, 과충전 전류의 전환은 상기 구성요소(81)의 임피던스를 변경함으로써 구현되는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    구성요소(81)의 임피던스는 음극의 전위와 상기 임계 역치값 사이의 차를 나타내는 양의 함수로서 적어도 변하여, 상기 과충전 전류를 구성요소(81)로부터의 출력으로서 전달하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    음극(1)의 전위의 측정은 음극(1)과 제 1 공기 전극(2) 사이의 전압 안정화 필터링을 포함하는 방법.
  7. 적어도 하나의 셀을 포함하는 금속-공기 배터리의 셀(10, 11, 12)에 대한 충전 관리자(7)로서, 상기 셀은 적어도 하나의 음극(1), 제 1 양의 공기 전극(2) 및 제 2 양의 산소-방출 전극(3)을 포함하고, 상기 충전 관리자(7)는 충전 동안 음극(1)과 제 2 양의 산소-방출 전극(3) 사이에 충전 전류의 흐름을 초래하는 셀에 대한 전류의 인가 동안,
    - 음극(1)의 전위(301)의 절대값을 임계 역치값(50)과 비교하고, 음극(1)의 전위는 제 1 양의 공기 전극(2)에 대응하여 결정되고;
    - 음극(1)의 전위(301)의 절대값이 임계 역치값(50)에 도달할 때, 인접 셀로 또는 충전기(5)로 과충전 전류를 전환하도록 배열된 각각의 셀을 위한 전자 회로(80)를 포함하고, 상기 과충전 전류는 셀에 인가된 전류와 충전 전류 사이의 차의 함수인 충전 관리자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    전자 회로(80)는 인접 셀로 또는 충전기(5)에 대한 각각의 연결을 통해 과충전 전류를 인접 셀로 또는 충전기(5)로 전환하는 아날로그 회로인 것인 충전 관리자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    과충전 전류를 전환하기 위한 전자 회로(80)는 가변 임피던스의 구성요소(81)를 포함하며, 과충전 전류의 전환은 상기 구성요소(81)의 임피던스를 변경함으로써 구현되는 충전 관리자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    가변 임피던스의 구성요소(81)는 전력 트랜지스터(81)인 충전 관리자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    전력 트랜지스터는 달링턴 트랜지스터(81)인 충전 관리자.
  12. 제 8 항에 있어서,
    음극(1)과 제 1 양의 공기 전극(2) 사이의 전위차를 측정하기 위한 전자 측정 회로(40)를 추가로 포함하는 충전 관리자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    전자 측정 회로(40)는 전압 안정화 필터(2001)를 포함하는 충전 관리자.
  14. 적어도 하나의 셀(10, 11, 12)을 포함하는 배터리로서, 상기 셀은 적어도 하나의 음극(1), 제 1 양의 공기 전극(2), 제 2 양의 산소-방출 전극(3) 및 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 충전 관리자(7)를 포함하는 배터리.
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