KR102024282B1 - 배터리의 충전 관리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이온 배터리의 충전을 관리하기 위한 방법에 관한 것인바, 상기 충전 관리 방법은, 상기 배터리의 측정된 온도 값을 수신하는 단계(101), 단계 a)에서 수신된 상기 측정값을 미리 정해진 문턱 온도 값과 비교하는 단계(103), 상기 배터리를 충전하기 위한 제어 신호를 발생시키는 단계(104, 104')로서, 상기 제어 신호는 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에 충전 전력, 충전 전압, 또는 충전 전류(charging intensity)가 단계적으로 감소되되, 한 레벨로부터 다음 레벨로의 전이(shift)는 상기 배터리의 단자들에서의 정해진 전압 값에 도달되는 때에 촉발되는, 제어 신호 발생 단계, 및 상기 제어 신호를 충전기에 송신하는 단계(105)를 포함한다.

Description

배터리의 충전 관리{Managing the charging of a battery}

본 발명은 배터리, 특히 리튬 이온(Li ion) 배터리의 충전의 관리에 관한 것이다. 본 발명의 예시적 용례는 자동차 산업에서 특히 전기 및/또는 하이브리드 자동차의 트랙션 배터리(traction battery)의 충전의 관리에 대한 것일 수 있다.

배터리들, 특히 리튬(Li) 유형의 배터리들이 일반적으로 배터리 제어 시스템 또는 "배터리 관리 시스템"(Battery Management System; BMS)에 의해 제어된다는 점이 알려져 있는바, 그 배터리 관리 시스템은 리튬 배터리의 다양한 요소들 또는 파라미터들, 및 특히 음전극 및 양전극을 포함하는 그 배터리를 구성하는 셀들의 상태를 제어하기 위한 전자 시스템이다.

BMS 시스템은 리튬 배터리들, 또는 배터리 및 BMS 시스템을 포함하는 배터리 조립체들 모두에 관한 중요 요소이다. 그 BMS 시스템은 예컨대 전체 전압 또는 개별 셀들의 전압, 온도, 즉 평균 온도, 냉각제 흡입 온도, 냉각제 유출구 온도, 또는 개별 셀들의 온도, 및 충전 상태(state of charge) 또는 방전 심도(depth of discharge)와 같은 상기 배터리의 상이한 요소들 또는 파라미터들의 상태를 모니터링한다. BMS 시스템은 최대 충전 전력 및 최대 방전 전력과 같은 상기 배터리가 제공할 수 있는 성능에 특유한 데이터를 계산할 수 있게 하며, 마지막 충전 또는 마지막 충전 사이클 이래로 공급된 에너지, 최초 이용 이래로 이용된 총 에너지, 및 최초 이용 이래의 총 작동 시간과 같은 상기 배터리의 이력에 특유한 데이터를 저장(save)할 수 있게 한다.

BMS 시스템은 상기 배터리가 정격 작동 범위 외에서 작동하는 것을 방지함으로써 상기 배터리의 내구도를 보장한다. 이와 병행하여 그 BSM 시스템은, 예컨대 (충전 중에 또는 회생 제동 국면에서의) 과전류, 과전압, (방전시의) 부족전압 또는 심지어 과열 및 열부족(underheating)과 같은 배터리 팩의 셀들의 비정상적 거동을 검출함으로써 상기 배터리의 안전한 보호를 보장한다.

특히, 상기 BMS 시스템은 각각의 순간에, 충전 모드에서 허용(authorized)되는 최대 전력 레벨, 및 상기 배터리가 완전히 충전되었는지 아닌지를 표시함으로써 상기 배터리의 충전을 관리할 수 있게 한다.

이 2개의 파라미터들의 판별에 있어서 지배적인 파라미터들 중의 하나는 충전 종료 전압 또는 컷오프 전압이다. 실제로, 이 전압은 상기 배터리를 구성하는 셀들의 충전 한계를 나타낸다. 그 값은 충전이 사실 끝났다는 것을 판정하기 위하여 상기 배터리의 셀들의 최대 전압이 도달해야 하는 값이다. Li 이온 배터리 기술에서 상기 컷오프 전압은 2.5V 내지 4.5V 사이에, 바람직하게는 3.5V 내지 4.2V 사이에 놓일 수 있다. 상기 충전 종료 전압의 선택 외에 충전 전략의 정의(definition)가 굉장히 중요(vital importance)한바, 왜냐하면 내구도와 충전 시간 사이의 절충(trade off)을 모색할 수 있게 하기 때문이다. 동일하게 주어진 충전 종료 전압에 대하여 충전 모드에서 허용되는 전력이 크게 제한되는 때에 내구도는 개선되나 결국 충전 시간을 해치며, 충전 모드에서 높은 전력이 가능해지는 때에 충전 시간은 감소되나 결국 내구도를 해친다.

상기 배터리의 노후화 상태 및 온도에 기초하여, 이 절충을 관리하기 위하여 상기 충전 전력을 조절하는 것이 가능하다.

특히, 일정한 전력에 뒤이은 일정한 전압을 갖춘 충전 전략{"일정 전력, 일정 전압(Constant Power, Constant Voltage)" CP-CV}은 충전 시간을 최적화할 수 있는 전략이다. 초기에, 상기 충전기에 의해 공급되는 최대 전력에서 상기 배터리의 충전 단계가 구현되는바, 상기 컷오프 전압에 상대적으로 상기 셀의 최대 전압을 조정(regulate)하기 위하여 셀의 최대 전압이 컷오프 전압에 도달하는 때에 허용되는 최대 전력을 제한하는 단계가 그 뒤를 잇는다.

그러나 이 전략은 특히 차가운 날씨에 배터리들의 내구도에 관한 문제를 야기한다. 상기 배터리의 각각의 셀의 최대 전력을 조정하기 위한 로직(logic)이 상기 컷오프 전압을 초과하지 않을 수 있게 한다. 그러나, 특히 탄소 양전극이 리튬으로 포화되는 때에는, 전기를 계속해서 공급하는 리튬 이온들이 이용가능한 어떠한 장소도 강제 충전(forced charging)으로 인하여 더 이상 없다. 그렇다면 이 Li⁺ 이온들은 양전극/전해액 경계면에서 금속 형태로 석출되는바, 이는 내부 단락(internal short circuit)으로 이어질 수 있는 리튬 수지상정(dendrites)이 된다. 이것은 "리튬 도금(lithium plating)"으로 알려진 현상이다.

이 바람직하지 않은 리튬 도금 문제는 충전 및/또는 회생 제동과 결부된 문제이다. 리튬 도금은 음전극의 전위에 연계되는 것으로 보이는바, 그 전위는 구성에 의하여 상기 셀의 전압(그 셀 전압은 양전극의 전위와 음전극의 전위 사이의 차이일 뿐임)에 의해 직접 측정되지 않는다.

따라서, 충전되고 있는 셀에서의 흑연 탄소 음전극의 경우에는 상기 음전극에서 2개의 경쟁 반응들(competing reactions)이 있다:

-

인 탄소 내 리튬의 인터칼레이션(intercalation)의 바람직한 반응, 및

-

인 금속 리튬 도금의 바람직하지 않은 반응.

전류, 온도, 충전 상태 및 노후화의 특정 상태에서는 리튬 도금 반응이 반응속도론의 관점에서 흑연 탄소 내 리튬의 인터칼레이션의 반응보다 더 선호된다는 사실에 의해, 상기 리튬 도금이 설명된다. 이는 충분히 긴 시간 주기 동안, 예를 들어 5초 내지 20분의 범위 내에서 상기 음전극이 리튬 도금 전위 아래로 떨어지는 때에 발생된다. 이는 추울 때 더 쉽게 발생된다.

국제특허출원 WO 2011/122946 A2는 충전 시간과 내구도 사이의 절충을 관리하는 것을 목적으로 한다. 특히 이 문서에는 충전 로직(charging logic)을 온도의 함수로서 변경하는 원리가 교시된다.

그러나 이 문서에 따르면, 배터리의 내구도의 개선은, 한편으로는 냉간 충전(charging when cold)의 시작시에 전류 펄스들(펄스 폭 변조)의 인가에 의한 상기 배터리의 재가열을 선호하고 다른 한편으로는 충전의 종료시에 전류 레벨의 감소를 선호하는 충전 로직으로부터 비롯된다. 따라서 이 해결법은 일정한 전압으로 충전하는 것을 종료(terminating)시키는 것과 마찬가지인바, 이는 바람직하지 않게 긴 시간 동안 상기 음전극이 리튬 도금 전위에 있게 할 수 있다. 이제, 리튬 도금 기작은 음전극 전위 레벨 양상에만 연계되는 것이 아니라 상기 음전극이 이 리튬 도금 전위 레벨 아래로 떨어지는 시간의 양상에도 연계되는 것으로 보인다.

내부 단락의 위험을 제한할 수 있게 할 방법에 대한 필요성이 있다.

본 발명은 리튬 이온 배터리의 충전을 관리하기 위한 방법에 관한 것인바, 상기 충전 관리 방법은:

a) 상기 배터리의 온도의 측정값을 수신하는 단계;

b) 단계 a)에서 수신된 상기 측정값을 미리 정해진 문턱 온도 값과 비교하는 단계;

c) 상기 배터리를 위한 충전 제어 신호를 발생시키는 단계로서, 상기 제어 신호는 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에 충전 전력, 충전 전압, 또는 충전 전류가 단계적으로 감소되되, 한 레벨로부터 다음 레벨로의 전이(transition)는 상기 배터리의 단자들에서의 정해진 전압 값에 도달되는 때에 개시되는, 충전 제어 신호 발생 단계; 및

d) 상기 제어 신호를 충전기에 송신하는 단계;를 포함한다.

상기 방법의 구현은 상기 음전극의 전위가 짧은 시간 동안만 예를 들어 5초 내지 20분의 값 범위 내에서 상기 리튬 도금 전위 아래를 통과하도록, 허용되는 충전 전력, 충전 전압 또는 충전 전류에 있어서의 상대적으로 현저한 강하를 만들어내기 위해 충전기를 제어할 수 있게 할 수 있다. 상기 음전극 상에 금속 형태로 도금된 리튬이 이미 있는 때에 상기 리튬 도금이 훨씬 더 쉬워진다.

따라서 유리하게 상기 제어 신호는, 상기 음전극의 전위가 상기 리튬 도금 전위 아래로 떨어지게 하는 것을 피하게끔 상기 전위가 진동(oscillate)하도록 하기 위하여 "갑작스런(abrupt)" 변동, 예를 들어 1 내지 20kW 사이의 전력 강하 또는 달리 말해 급격한 강하를 보일 수 있다. 따라서 상기 제어 신호는, 감소하는 지수함수 따위의 상대적으로 갑작스런 변동들, 예를 들어 불연속성을 가진 전체적으로 감소하는 외양을 가질 수 있는바, 이 갑작스런 변동들은 상기 음전극의 전위의 값을 일시적으로 증가시켜 바람직하지 않게 긴 주기 동안 상기 음전극의 전위가 상기 리튬 도금 전위 아래로 떨어지는 것을 피할 수 있게 한다.

결과적으로 금속 리튬이 상기 음전극 상에 바람직하지 않은 임계량(critical quantities)으로 생성될 시간을 더 이상 가지지 않을 뿐만 아니라, 게다가 규칙적인 시간 간격으로 상기 음전극이 상기 리튬 도금 전위의 레벨 위로 돌아가기 때문에, 리튬이 전해액 내에서 Li⁺ 이온들의 형태로 다시 한번 용해되는 것마저도 가능하다.

본 발명의 실시례들에 따르면, 유리하게는 상기 정해진 전압 값이 미리 정해진 충전 종료 전압 또는 다른 파라미터에 의해 결정된 전압일 수 있다.

위에서 설명된 방법이 충전 시간의 측면에서 반드시 최적인 것은 아니지만, 그 방법은 예를 들어 CP-CV(또는 CC-CV) 충전과 대비하여 최대 셀 전압이 컷오프 전압 근방으로 조절되게 함으로써 셀을 그 잠재력을 최대한으로 이용하지 않기 때문에, 앞서 보인 바와 같이 상기 셀 또는 각각의 셀의 음전극 상의 Li 도금 및 내부 단락의 위험을 피하는바, 이는 본 발명의 기술 분야에 있어서 결정적인 요인일 수 있다.

매우 유리하게, 본 발명의 방법은 배터리 제어 시스템 BMS에 의해 구현될 수 있는바, 상기 배터리 제어 시스템은 충전의 시작시로부터 종료시까지 순간적으로 측정된 충전 온도 값(T°C_charge)이 상기 문턱 온도 값{단계 c)}보다 낮은 때에 특히 각각의 셀의 음전극 상의 리튬 도금을 제한함으로써 셀 내구도를 아끼기 위하여, 허용되는 충전 전력을 계산하도록 결정된다.

유리하게, 상기 방법은 충전 전압의 측정값의 수신 단계 및 상기 수신된 측정된 충전 전압 값의 상기 배터리의 단자들에서의 정해진 문턱 전압 값과의 비교 단계를 더 포함할 수 있는바, 여기에서 제어 신호는 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때와 상기 충전 전압이 문턱 전압보다 큰 때에 단계적으로 감소(in decreasing steps)되게 생성된다.

실시례들에 따른, 상기 정해진 전압은 컷오프 전압일 수 있다.

동일하게 주어진 온도에 대하여, 예를 들어 5°C에서 상기 BMS 시스템은 상기 컷오프 전압이 예를 들어 4.10V의 문턱 전압보다 낮은 채로 머무르는 한, CP-CV 충전을 적용할 수 있으며, 그리고/또는 예를 들어 상기 컷오프 전압이 예컨대 4.10V인 이 문턱 전압을 초과하자마자 다단계(multi-step) 충전을 적용할 수 있다.

따라서 본 발명의 방법은 이른바 "다단계" 충전 방법일 수 있는바, 이는 충전 중의 상기 배터리 온도가 미리 정해진 문턱 온도 값보다 낮은 때에 유리하게 구현될 수 있으며, 선택적으로 충전 전압이 높은 때에 상기 충전 전압은 유리하게 상기 컷오프 전압일 수 있다. 유리하게는 상기 이른바 "다단계" 충전 방법은, 결합된 이 2가지 조건들에 대하여 구현될 수 있다.

선호되는 실시례들에 따르면, 상기 단계들{a), b), c) 및 d)}은 동일 충전 동안에 규칙적으로 반복될 수 있다. 상기 방법은 두 번의 연이은 루프(loop)들의 실행 사이에 대기 단계(τ)를 가지는 루프들을 통하여 구현될 수 있다. 이 대기 시간은 예를 들어 5분 내지 1시간일 수 있다. 이는 상기 배터리 온도가 미리 정해진 문턱 온도 위 또는 아래를 통과하는지 여부에 따라 시간 간격을 가지고, 예컨대 규칙적인 시간 간격을 가지고 충전 전략을 변경 가능하게 할 수 있다.

특히 유리한 방식으로, 상기 단계들{a) 및 b)}은 딱 한 번 충전의 시작시에 수행될 수 있다. 따라서, 충전 전략이 충전의 최초 시작(very start)시에 결정된다. 이 경우에 상기 대기 단계는 예를 들어 40 내지 50시간 사이의 값을 취할 수 있다.

본 발명의 맥락에서 "신호"는 예를 들어, 전기적 신호, 차동 신호(differential signal), 아날로그 신호 또는 예컨대 전자기적 신호 또는 압력 신호와 같은 그런 다른 신호를 동등하게 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

유리하게는 상기 문턱 온도(T°C_thr)는 일반적으로 10°C 내지 30°C 사이에 있다. 이 온도는 상기 셀의 전기화학적 특성의 함수로서 결정될 수 있다.

바람직하게는 T°C_charge가 T°C_thr와 같거나 그보다 낮은 때에 그 차이는 적어도 섭씨로 1도일 수 있으며, 더 바람직하게는 몇 도일 수 있다. 예시로서, T°C_charge는 T°C_thr보다 섭씨로 1도, 2도, 심지어 3도만큼 더 낮다.

본 발명의 일 실시례에 따르면 충전 온도가 T°C_thr과 같거나 그보다 낮은 때에[단계{a) 및 b)}], 예를 들어 제1의 정해진 최대 전력 레벨에서의 충전기에 의한 상기 배터리의 충전이 있는바, 그 제1의 정해진 최대 전력 레벨은 예를 들어 40kW이다. 최대 셀 전압(

)이 상기 컷오프 전압에 도달하자마자, 다음 충전 전력 레벨로의 전이가 있는데, 상기 다음 충전 전력 레벨은 선행하는 레벨보다 낮은바 예를 들어 35kW이며, 상기 충전 전력이 0kW가 될 때까지 이와 같이 계속된다.

바람직하게는, 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에, 정해진 전력 문턱값보다 큰 충전 전력들에 대하여는 상기 충전 전력이 5kW 내지 10kW의 값 범위 내에 놓이는 레벨들로 단계적으로 감소되며 경우에 따라서는 심지어 5kW 내지 20kW 값 범위 내에 놓이는 레벨들로 단계적으로 감소되고, 이 정해진 전력 문턱값보다 작은 충전 전력들에 대하여는 상기 충전 전력이 1kW 내지 1.5kW의 값 범위 내에 놓이는 레벨들로 단계적으로 감소되며 경우에 따라서는 심지어 1 내지 5kW의 값 범위 내에 놓이는 레벨들로 단계적으로 감소될 수 있다. 상기 정해진 전력 문턱값은 바람직하게 대략 10kW 내지 15kW 사이에 놓인다.

바람직하게, 상기 충전 전력 문턱값은 상기 방법의 구현 전에 결정되거나 또는 실시례들에 따라 상기 방법의 실행 중에 결정될 수 있다.

상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에, 바람직하게는 10초 내지 25분 사이의 지속시간 동안, 특히 10초 내지 20분 사이의 지속시간 동안 전력 레벨 또는 각각의 전력 레벨이 유지될 수 있다.

제1 레벨 자체로서는, 특별히 다른 후속 레벨들의 지속시간보다 긴 지속시간을 갖도록 구현될 수 있는바, 그 제1 레벨의 지속시간은 전형적으로 15초 내지 25분 대(order)이다.

각각의 셀 또는 전체적인 Li 이온 배터리의 최대 충전 전력은 이용되는 Li 이온 배터리에 의존할 수 있으며, 보통은 많아 봐야 50kW일 수 있다.

본 발명의 맥락에서 상기 Li 이온 배터리는 결코 제한되지 않으며, 바람직하게는 전체적으로 흑연으로 된 음전극과 산화코발트, 산화망간 또는 인산철(iron phosphate)일 수 있는 양전극의 두 극 모두 상에서의 삽입 화합물(insertion compound)의 이용 덕분에 리튬이 이온 상태로 유지되는 배터리일 수 있다. Li 이온 배터리들 중에서 이른바 "리튬 금속 폴리머(lithium metal polymer)" 및 "리튬 에어(lithium-air)" 배터리가 언급될 수 있다. 본 발명의 Li 이온 배터리들은 예컨대 자동차, 컴퓨터 또는 통신과 같은 다양한 기술 분야에 적용가능할 수 있으며, 임베디드 시스템(embedded system) 또는 분리된 시스템(segregated system)에 대하여 적합화될 수 있다.

본 발명의 방법은 본 발명 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 종류의 충전기, 특히 시판되는 충전기들에 의해 구현될 수 있으며, 상기 충전기는 결코 제한되지 않는다.

실시례들에 따르면, 상기 방법은 상기 배터리의 노후화 상태의 함수로서 T°C_thr의 값을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 이 값은 상기 배터리의 노후화 상태의 함수로서 미리 정해진 복수개의 문턱 온도 값들로부터 선택될 수 있다.

보통 추정되는 바로는, 이 노후화가 (A·h로 표현되는) 전체 배터리 용량의 10 내지 20%의 손실에 해당될 수 있다. 이 경우에 상기 배터리의 노후화가 더 현저할수록, 이 T°C_thr 값이 더 높아질 수 있는바, 이는 위에서 명시된 바와 동일한 이유 때문이다.

실시례들에 따르면, 현재 충전되고 있는 상기 배터리의 온도가 상기 문턱 온도 값보다 뚜렷이(notably) 높은 때에, 급속히 증가되는 전압을 가지는 고속 충전 국면(fast charging phase) 및 이에 뒤이은 미리 정해진 전압 값, 예를 들어 컷오프 전압으로 조절되는 감소되는 전류를 가지는 흡수 국면(phase of absorption)을 지시(order)하기 위한 충전 제어 신호가 발생된다.

유리하게, 상기 방법은 Li 이온 배터리를 특히 충전 내내 재가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리를 재가열하는 그런 단계는 상기 배터리 온도의 충전 시간에 걸친 추세(trend)의 함수로서 상기 충전을 예를 들어 규칙적인 시간 간격으로 적합화 및/또는 변경할 수 있게 할 수 있다.

예를 들어 상기 컷오프 전압이 문턱 전압보다 높은 때, 그리고 예컨대 충전이 T°C_thr보다 낮은 온도에서 시작되는 때에 상기 배터리의 충전은 다단계 충전이다. 충전 중에, 특히 줄 발열(Joule heating)에 의하여 상기 배터리 온도가 T°C_thr을 초과하는 때에는 상기 BMS 시스템이 상기 컷오프 전압 값과 무관하게 CP-CV 또는 CC-CV 충전에 따른 상기 배터리의 충전을 구현할 수 있다. 일 변형례로서, 상기 배터리를 재가열하기 위한 장치를 구비한 배터리에 이 충전 선택 전략을 적용하는 것이 가능하다. 그러면 위의 전략에 따라 상기 배터리를 동시에 재가열 및 충전하는 것이 가능할 수 있다.

배터리의 내구도를 최적화하기 위하여 상기 BMS 시스템은 상기 배터리의 노후화 상태의 함수로서 컷오프 온도(cutoff temperature)를 조절(modulate)할 수 있다.

이제, 상기 배터리의 수명 시작(start of life)시에 전형적으로 4.05V 대의 낮은 컷오프 전압을 가지는 CP-CV 유형의 충전을 적용하는 것이 용인될 수 있다면, 상기 배터리의 수명 말기(end of life)에 상기 BMS 시스템에 의해 부과되는 예컨대 4.2V의 높은 컷오프 전압을 가지는 CP-CV 충전은 상기 배터리를 열화(degrading)시키는 위험을 무릅쓰는바, 이는 리튬 도금 때문이다.

따라서, 상기 컷오프 전압이 높다면, 그리고 현재 충전되고 있는 상기 배터리의 온도가 상기 미리 정해진 문턱 온도 값보다 낮다면, 유리하게 상기 다단계 충전이 구현될 수 있다.

본 발명은 또한 리튬 이온 배터리의 충전을 관리하기 위한 장치에 관한 것인바, 상기 장치는:

- 온도 센서로부터 상기 배터리의 온도의 측정값을 수신하기 위한 수단;

- 상기 측정값을 미리 정해진 문턱 온도 값과 비교하고 상기 배터리를 위한 충전 제어 신호를 발생시키도록 구성된 프로세싱 수단으로서, 상기 프로세싱 수단은 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에 충전 전력, 충전 전압 또는 충전 전류가 단계적으로 감소되는 방식으로 상기 제어 신호가 발생되도록 구성되고, 한 레벨로부터 다음 레벨로의 전이는 상기 배터리의 단자들에서의 정해진 전압 값에 도달되는 때에 개시되는, 프로세싱 수단; 및

- 상기 제어 신호를 충전기에 송신하기 위한 송신 수단;을 포함한다.

본 발명의 실시례들에 따르면, 유리하게 상기 정해진 전압 값이 미리 정해진 충전 종료 전압 또는 다른 파라미터에 의해 결정된 전압일 수 있다.

상기 장치는 충전 시작 온도가 문턱 온도보다 높은 때에, 충전 시간을 최소화하기 위하여, 허용되는 충전 전력을 계산하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.

그러한 장치는 상이한 변형례들로써 위의 방법을 구현하는 데에 특히 적합화된다.

상기 수신 수단은 예를 들어 입력 핀(input pin), 입력 포트(input port) 및/또는 기타 등등을 포함할 수 있다.

상기 프로세싱 수단은 프로세서 코어 또는 CPU(central processing unit; 중앙 프로세싱 유닛), 프로세서, 또는 기타 등등을 포함할 수 있다.

상기 송신 수단은 예를 들어 출력 핀(output pin), 출력 포트(output port) 또는 기타 등등을 포함할 수 있다. 매우 유리하게는 그러한 관리 장치가 BMS 시스템일 수 있는바, 바람직하게는 그 BMS 시스템이 Li 이온 배터리의 필수 부분(integral part)을 형성한다.

다른 일 양상에 따르면 본 발명은 프로세서에 의해 실행되는 때에 본 발명의 방법의 단계들을 수행하기 위한 지시들을 포함하는 컴퓨터에 관한 것이다.

유리하게는 이 컴퓨터 프로그램이 충전 관리 장치의 메모리 안에 저장될 수 있다.

본 발명은 또한 리튬 이온 배터리 및 위에서 설명된 바와 같은 상기 배터리의 충전을 관리하기 위한 장치를 포함하는 리튬 이온 배터리 조립체에 관한 것이기도 하다.

본 발명은 또한 리튬 이온 배터리 및 위에서 설명된 충전 관리 장치 및/또는 위에서 설명된 바와 같은 배터리 조립체를 포함하는 자동차에 관한 것이기도 하다. 본 발명은 다음의 도면들 및 비한정적 예시들에 의해 설명된다.

이제 본 발명은 비한정적 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명되는바, 그 비한정적 도면들 중에서,
- 도 1은 선행 기술에 따른 충전 시간의 함수로서 양전극의 전위 및 음전극의 전위의 추세를 나타낸 예시적 그래프이며;
- 도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 예시적 방법의 흐름도이며,
- 도 3은 충전 온도가 미리 정해진 문턱 온도와 같거나 그보다 낮은 때에 본 발명의 예시에 따라 Li 이온 배터리에 대한 충전 전략 그래프이고,
- 도 4는 일 실시례에 따른 트랙션 배터리 조립체를 포함하는 예시적인 자동차이다.

도 1의 충전 전략에 따르면 리튬 도금은 음전극에서 발생된다. 반응속도론의 관점에서 리튬 도금 반응이 흑연 탄소 내 리튬의 인터칼레이션의 반응보다 더 선호된다는 사실에 의해, 상기 리튬 도금이 유발된다. 이는 상기 배터리의 충전 중에 일정 시간 동안, 여기에서는 20분 동안 상기 음전극이 리튬 도금 전위 아래를 통과하는 때에 발생된다.

도 2에 따르면, 상기 방법의 제1 단계{단계 a)}는 충전의 시작시 리튬 이온 배터리의 온도 값(T)의 수신(101)인바, BMS 시스템에 의해 구현된다.

단계(102) 동안에 문턱 온도 값(T_THR)이 결정되는바, 여기에서는 그 문턱 온도 값이 상기 배터리의 노후화(f(SOHE))의 함수로서 추산(102)된다. 예를 들어 T_THR은 15°C와 같을 수 있다.

또한 여기서 상기 문턱 전압은 상기 배터리의 노후화 상태(f₂(SOHE))의 함수로서 추산(102’)된다.

제2 단계{단계 b)}(103)는 한편으로는 101에 따른 이 측정된 온도 값(T)을 상기 문턱 온도(T_THR)와 비교함, 그리고 상기 컷오프 전압(Vcut-off)을 상기 문턱 전압(V_THR)과 비교함이다.

이 측정된 온도(T)가 T_THR보다 낮은 때에, 그리고 Vcut-off가 V_THR보다 높은 때에는, 상기 BMS 시스템은 본 발명의 다단계 방식(multi step way)에 따라 상기 배터리를 위한 충전 제어 신호를 발생(단계 104)시킨다.

다른 한편으로, 이 조건들 중의 하나 및/또는 다른 하나가 관측되지 않는다면, 상기 BMS 시스템은 단계(104’) 동안에 CP-CV 충전 신호(104’)(S:=S_CP-CV)를 발생시킨다.

그 후 상기 제어 신호(S)는 단계(105) 동안에 상기 리튬 이온 배터리의 충전기에 송신된다. 따라서 그 충전 전략(충전charging strategy)은 위의 파라미터들의 함수이다.

또한 상기 방법은 두 루프(loop)들의 실행 사이에, 다시 말하자면 구현된 단계들(101, 102, 102’, 103, 104, 104’ 및 105)의 실행 사이에 대기 단계(τ)를 포함한다.

도 3의 A 및 B는 충전 온도가 문턱 온도와 같거나 그보다 낮은 때에 본 발명의 예시에 따른 Li 이온 배터리를 위한 충전 전략에 대응되는바, 여기에서는 15°C로 설정되어 있다.

더 구체적으로는 도 3의 A는 충전 전력이 영에 도달할 때까지 감소되는 전력 단계들로의 충전을 나타낸 예시적 그래프인바, 20분 동안의 50kW에서 시작해서, 제2 단계는 10분 동안의 32kW로 설정되며, 제3 단계는 7분 동안의 6kW로 설정되며, 제4 단계는 8분 동안의 2kW로 설정된다.

도 3의 B에는 도 3의 A에 대응되는 충전 전략을 적용하는 경우에 Li 이온 배터리 음전극의 전위의 충전 시간의 함수로서의 추세의 예시가 나타난다.

본 발명의 예시에 따르면 감소되는 각각의 전력 레벨에 있어서 상기 전극의 전위는 상대적으로 짧은 순간 동안만, 여기에서는 10초 동안만 상기 리튬 도금 전위보다 낮은바, 이는 한편으로는 금속 리튬의 임계량으로의 도금을 피할 수 있으며, 따라서 다른 한편으로는 상기 배터리의 내구도를 증가시킬 수 있으면서도, 특히 과전압에 의한 상기 배터리의 열화 없이 충전 시간을 최적화할 수 있다.

도 4를 참조하면, 예시적 자동차(10)가 트랙션 배터리 조립체(11)를 포함하는바, 그 트랙션 배터리 조립체(11)는 충전기(미도시), 예를 들어 전기 네트워크에 연결된 충전 단자에 의해 충전될 수 있다.

상기 배터리(12)는 예를 들어 리튬 이온 배터리일 수 있다.

상기 충전기는 예를 들어 DC 전류를 상기 자동차(10)의 배터리 조립체(11)에 공급하는 고속 충전 단자일 수 있다.

상기 배터리 조립체(11)는 충전 관리 장치(13), 예를 들어 BMS 유형의 배터리 제어 시스템을 포함할 수 있는바, 그 시스템은 상기 배터리의 온도 및 상기 컷오프 전압의 충전 시간에 걸친 추세의 함수로서 상기 충전 전략을 규칙적인 시간 간격으로 적합화 및/또는 변경하기 위한 지시들을 포함하는 프로그램을 실행하는 프로세서(미도시)를 포함한다. 충전 전략의 예시는 도 3에 주어져 있다.

충전 관리 장치(13)는 배터리 온도 값 및 상기 컷오프 전압(미도시)을 수신하기 위한 수단을 포함하는바, 그 수신하기 위한 수단은 예를 들어 상기 자동차(10)의 센서들(미도시)과 전기적으로 연결된 입력 핀이다.

상기 장치(13)는, 프로세서의 코어인 프로세싱 수단(미도시)으로서, 한편으로는 상기 측정된 온도 값을 문턱 온도 값과 비교하고 다른 한편으로는 상기 컷오프 전압을 문턱 전압과 비교하도록 구성되는 프로세싱 수단, 및 출력 핀인 송신 수단(미도시)으로서, 충전기에 신호를 송신하기 위한 송신 수단을 포함한다.

Claims (12)

1. 리튬 이온 배터리의 충전을 관리하기 위한 방법으로서, 상기 충전 관리 방법은:
   a) 상기 배터리의 온도의 측정값을 수신하는 단계(101);
   b) 단계 a)에서 수신된 상기 측정값을 미리 정해진 문턱 온도 값과 비교하는 단계(103);
   c) 상기 배터리를 위한 충전 제어 신호를 발생시키는 단계(104, 104')로서, 상기 제어 신호는 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에 충전 전력, 충전 전압, 또는 충전 전류가 단계적으로 감소되되, 한 레벨로부터 다음 레벨로의 전이(transition)는 상기 배터리의 단자들에서의 정해진 전압 값에 도달되는 때에 개시되는, 충전 제어 신호 발생 단계; 및
   d) 상기 제어 신호를 충전기에 송신하는 단계(105);를 포함하는, 충전 관리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에, 정해진 전력 문턱값보다 큰 충전 전력들에 대하여는 상기 충전 전력이 5kW 내지 10kW의 값 범위 내에 놓이는 레벨들로 단계적으로 감소되고, 이 정해진 전력 문턱값보다 작은 충전 전력들에 대하여는 상기 충전 전력이 1kW 내지 1.5kW의 값 범위 내에 놓이는 레벨들로 단계적으로 감소되는, 충전 관리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에 10초 내지 25분 사이의 지속시간 동안 전력 레벨이 유지되는, 충전 관리 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 a), b), c) 및 d)는 동일 충전 동안에 규칙적으로 반복되는, 충전 관리 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 a) 및 b)는 딱 한 번 충전의 시작시에 수행되는, 충전 관리 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리(102)의 노후화 상태의 함수로서 상기 문턱 온도 값을 결정하는 단계를 더 포함하는, 충전 관리 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 현재 충전되고 있는 상기 배터리의 온도가 상기 문턱 온도 값보다 높은 때에, 급속히 증가되는 전압을 가지는 고속 충전 국면(fast charging phase) 및 이에 뒤이은 미리 정해진 전압 값, 예를 들어 컷오프 전압(cutoff voltage)으로 조절되는 감소되는 전류를 가지는 흡수 국면(phase of absorption)을 지시(order)하기 위하여 상기 충전 제어 신호가 발생되는, 충전 관리 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전 관리 방법은 상기 충전 전압의 측정값의 수신 단계, 및 상기 수신된 측정된 충전 전압 값을 상기 배터리의 단자들에서 정해진 문턱 전압 값과 비교하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어 신호는 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때 또는 상기 충전 전압이 문턱 전압 값보다 높은 때에 단계적으로 감소(in decreasing steps)되게 생성되는, 충전 관리 방법.
9. 지시들(instructions)을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체로서, 상기 지시들은 프로세서에 의해 실행되는 때에 제1항 또는 제2항의 방법의 단계들을 수행하기 위한 지시들인, 컴퓨터 판독 가능 매체.
10. 리튬 이온 배터리의 충전을 관리하기 위한 장치(13)로서:
    - 온도 센서로부터 상기 배터리의 온도의 측정값을 수신하기 위한 수단;
    - 상기 측정값을 미리 정해진 문턱 온도 값과 비교하고 상기 배터리를 위한 충전 제어 신호를 발생시키도록 구성된 프로세싱 수단으로서, 상기 프로세싱 수단은 상기 측정된 온도 값이 상기 문턱 온도 값과 같거나 그보다 낮은 때에 충전 전력, 충전 전압 또는 충전 전류가 단계적으로 감소되는 방식으로 상기 제어 신호가 발생되도록 구성되고, 한 레벨로부터 다음 레벨로의 전이는 상기 배터리의 단자들에서의 정해진 전압 값에 도달되는 때에 개시되는, 프로세싱 수단; 및
    - 상기 제어 신호를 충전기에 송신하기 위한 송신 수단;을 포함하는, 충전 관리 장치.
11. 삭제
12. 제10항에 따른 리튬 이온 배터리(12) 및 충전 관리 장치(13)를 포함하는 자동차.

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