KR102255523B1 - 전지 수명 향상을 위한 전지 충전 장치 및 그 충전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 전지의 싸이클 열화에 따라 최대 충전 전압을 변경시켜주는 전지 충전 장치 및 그 충전 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 충전 장치는 기 설정된 충전 최대 전압에 도달할 때까지 이차 전지를 충전시키는 충전기, 상기 이차 전지에 펄스 전류를 인가하고, 상기 펄스 전류에 따른 전압의 변화를 감지하여 상기 이차 전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부, 및 상기 임피던스 측정부의 측정 결과에 따라 상기 충전기의 충전 최대 전압의 크기를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

전지 수명 향상을 위한 전지 충전 장치 및 그 충전 방법{Battery charging apparatus for increasing battery life and battery charging method of the same}

본 발명은 전지 충전 장치 및 그 충전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충방전 싸이클의 진행에 따른 이차 전지의 열화(싸이클 열화) 정도를 감지하고 그 열화 정도에 따라 최대 충전 전압을 변경시켜주는 전지 충전 장치 및 그 충전 방법에 관한 것이다.

최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높아 여러 분야에서 각광을 받고 있다.

이러한 이차전지는 방전 후에도 다시 재충전하여 계속 사용할 수 있어 충방전 상태에 따라 성능의 차이를 나타내므로, 충전방법을 개선하여 이차전지의 성능을 향상시키려는 노력이 진행되고 있다.

도 1은 이차 전지의 충전방법으로 일반적으로 사용되는 정전류(constant current mode)-정전압(constant voltage mode)(CC-CV) 충전 방법을 나타낸 도면이다.

CC-CV 충전방법은 도 1에서와 같이, 기 설정된 일정한 전압에 도달할 때까지 최대 전류로 충전을 실행하고, 일정한 전압에 도달하게 되면, 점차로 충전류를 감소시키면서 충전을 실행하는 방법이다.

다른 충전방법으로는 일정 SOC(State Of Charge)까지 높은 전류로 충전하다가 전지의 전압이 높아지는 시점에서는 낮은 전류로 충전 모드를 바꿔주는 방법이 있다.

그런데 이차 전지는 반복적인 충방전이 가능하지만 충방전이 거듭될수록 싸이클 열화가 진행된다. 일반적으로, 이차 전지에서는, 열화에 의해 내부 임피던스가 증가하고 용량 저하가 발생한다.

그러나 종래의 충전 방법들에서는 이차 전지의 사용 상태에 따른 열화를 고려하지 않고, 싸이클 초기와 말기에 동일한 충전 조건을 적용하여 충전을 수행함으로써 이차 전지의 수명을 단축시키는 문제를 발생시키고 있다.

본 발명은 안정적이면서 이차 전지의 열화를 지연시킴으로써 이차 전지의 수명을 연장시킬 수 있는 새로운 충전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 충전 장치는 기 설정된 충전 최대 전압에 도달할 때까지 이차 전지를 충전시키는 충전기, 상기 이차 전지에 펄스 전류를 인가하고, 상기 펄스 전류에 따른 전압의 변화를 감지하여 상기 이차 전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부, 및 상기 임피던스 측정부의 측정 결과에 따라 상기 충전기의 충전 최대 전압의 크기를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 충전 장치의 충전 방법은 이차 전지를 충전시키는 단계, 충전이 이루어지는 도중에 상기 이차 전지에 펄스 전류를 인가하여 상기 이차 전지의 임피던스를 측정하는 단계, 및 측정된 임피던스가 기 설정된 기준 임피던스에 도달시, 상기 이차 전지의 충전을 위한 충전 최대 전압을 변경시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 충전 과정에서 발생될 수 있는 이차 전지의 열화를 지연시킴으로써 이차 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.

또한, 이차 전지의 열화에 따라 전지의 SOC(State Of Charge) 값이 낮아지도록 함으로써 전지의 최대 스웰링(swelling) 두께를 감소시킬 수 있다.

도 1은 일반적으로 사용되는 정전류(constant current mode)-정전압(constant voltage mode)(CC-CV) 충전 방법을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 충전 장치의 구성을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4a는 싸이클 열화가 적은 이차 전지에서 펄스 전류에 의한 전압의 변화모습을 보여주는 도면.
도 4b는 싸이클 열화가 큰 이차 전지에서 펄스 전류에 의한 전압의 변화모습을 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 충전 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.

전지 충전 장치(100)는 충전부(110), 임피던스 측정부(120), 온도 센서(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.

충전기(110)는 이차 전지가 기 설정된 충전 최대 전압에 도달할 때까지 이차 전지에 정전류(constant current mode)를 공급함으로써 이차 전지를 충전시킨다. 이때, 충전 최대 전압은 이차 전지의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 제어부(140)로부터의 제어신호에 따라 조절될 수 있다.

임피던스 측정부(120)는 이차 전지가 충전되는 중에 기 설정된 일정 시간 동안 이차 전지에 펄스 전류를 공급하고, 공급된 펄스 전류에 따른 전압의 변화를 감지하여 이차 전지의 임피던스를 측정한다. 즉, 임피던스 측정부(120)는 이차 전지의 DC 임피던스를 측정한다. 임피던스 측정부(120)는 측정된 임피던스 값을 제어부(140)에 전달한다.

온도 센서(130)는 이차 전지의 온도를 측정하여 그 결과를 제어부(140)에 전달한다. 즉, 이차 전지는 온도에 따라 임피던스가 달라지므로, 온도 변화에 따른 임피던스 차이를 보상하기 위해 온도 센서(130)를 이용하여 이차 전지의 온도를 측정한다.

제어부(140)는 임피던스 측정부(120)로부터의 임피던스 값에 따라 충전기(110)의 충전 최대 전압을 조절한다. 예컨대, 제어부(140)는 임피던스 측정부(120)로부터 제공받은 임피던스 값이 기 설정된 기준 임피던스(예컨대, 100m ohm)에 도달하게 되면, 충전기(110)에게 충전 최대 전압을 일정 크기만큼 낮추도록 하는 제어신호를 출력한다. 이때, 이차 전지의 임피던스는 이차 전지의 온도에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 제어부(140)는 온도 센서(130)로부터 온도 값을 추가적으로 반영하여 충전기(110)의 충전 최대 전압을 조절할 수 있다. 예컨대, 온도 변화에 따른 임피던스의 변화량은 실험을 통해 미리 계측되어 저장되며, 제어부(140)는 기준 온도와 현재 온도(임피던스 측정시의 온도)의 차이만큼의 임피던스 차를 측정된 임피던스에 반영(가감)할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 방법을 설명하기 위한 순서도로서, 도 2의 충전 장치를 이용한 이차 전지의 충전 방법을 설명한다.

먼저, 충전 장치(100)의 충전기(110)는 이차 전지의 양단에 연결되어 이차 전지에 충전용 정전류를 공급함으로써 이차 전지를 충전시킨다(단계 210).

예컨대, 충전기(110)는 이차 전지의 충전 전압을 측정하면서 정전류를 공급함으로써 이차 전지가 기 설정된 충전 최대 전압에 도달할 때까지 충전을 지속한다. 이때, 충전 최대 전압은 이차 전지의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 장치 운영자에 의해 미리 설정될 수 있다.

충전기(110)에 의해 이차 전지가 충전되는 도중에, 임피던스 측정부(120)는 펄스 전류를 발생시켜 이차 전지에 인가한다(단계 220).

이차 전지는 싸이클 열화가 심할수록 내부의 임피던스 값이 커지게 된다. 따라서, 동일한 온도 조건에서 같은 펄스 전류를 이차 전지에 인가했을 때, 펄스 전류에 의한 전압의 차는 도 4에서와 같이 싸이클 열화가 심할수록 크게 된다. 도 4에서, (a) 도면은 싸이클 열화가 적은 이차 전지에서의 펄스 전류에 따른 전압의 변화를 보여주는 도면이며, (b) 도면은 싸이클 열화가 큰 이차 전지에서의 펄스 전류에 따른 전압의 변화를 보여주는 도면이다.

따라서, 임피던스 측정부(120)는 이차 전지에 인가한 펄스 전류에 의한 이차 전지의 전압 변화를 측정한 후 그 전압 차와 펄스 전류의 전류 차를 이용하여 이차 전지의 DC 임피던스를 측정한다(단계 230).

측정된 임피던스 값은 제어부(140)에 전송된다.

제어부(140)는 임피던스 측정부(120)로부터 제공받은 측정 임피던스를 기 설정된 기준 임피던스와 비교하여 측정 임피던스가 기준 임피던스(예컨대, 100m ohm)보다 크거나 같은지 여부를 판단한다(단계 240).

이때, 제어부(140)는 임피던스 측정부(120)로부터의 측정 임피던스뿐만 아니라 온도 센서(130)에서 측정된 이차 전지의 온도에 따른 임피던스 변화량을 함께 반영할 수 있다. 예컨대, 제어부(140)는 온도 변화에 따른 임피던스의 변화량을 미리 테이블화하여 저장하고, 기준 온도와 현재 온도(임피던스 측정시의 온도)의 차이에 해당하는 임피던스를 측정 임피던스에 반영할 수 있다.

단계 240에서, 측정 임피던스가 기준 임피던스보다 크거나 같은 경우, 제어부(140)는 충전기(110)에 충전 최대 전압을 낮추라고 명령하는 제어신호를 출력함으로써 충전기(110)는 이차 전지 충전을 위한 충전 최대 전압을 변경시킨다(단계 250).

예컨대, 충전기(110)는 충전 최대 전압을 4.4 V에서 4.35 V로 낮춘다.

반면에, 측정 임피던스가 기준 임피던스에 미치지 않는 경우, 충전기(110)는 최초 설정된 충전 최대 전압에 따라 충전을 계속한다(단계 260).

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 충전 장치
110 : 충전부
120 : 임피던스 측정부
130 : 온도 센서
140 : 제어부

Claims (8)

1. 기 설정된 충전 최대 전압에 도달할 때까지 이차 전지를 충전시키는 충전기;
   상기 이차 전지에 펄스 전류를 인가하고, 상기 펄스 전류에 따른 전압의 변화를 감지하여 상기 이차 전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부;
   상기 임피던스 측정부의 측정 결과에 따라 상기 충전기의 충전 최대 전압의 크기를 제어하는 제어부; 및
   상기 이차 전지의 온도를 측정하여 그 결과를 상기 제어부에 전달하는 온도 센서를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 온도 센서에서 측정된 온도에 기초하여 상기 이차 전지의 온도 변화에 따른 임피던스의 변화량을 보상한 후에 상기 충전기의 충전 최대 전압의 크기를 제어하는 전지 충전 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 온도 센서에서 측정된 온도와 기준 온도와의 차이에 따라 임피던스 변화량을 상기 임피던스 측정부의 측정 결과에 반영하여 상기 충전기의 충전 최대 전압의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 전지 충전 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 충전기는
   상기 충전 최대 전압에 도달할 때까지 상기 이차 전지에 정전류를 공급하여 상기 이차 전지를 충전시키는 것을 특징으로 하는 전지 충전 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 이차 전지의 임피던스가 기 설정된 기준 임피던스에 도달하는 경우, 상기 충전 최대 전압을 낮추도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전지 충전 장치.
6. 이차 전지를 충전시키는 단계;
   충전이 이루어지는 도중에 상기 이차 전지에 펄스 전류를 인가하여 상기 이차 전지의 임피던스를 측정하는 단계;
   상기 이차 전지의 온도를 측정하는 단계;
   상기 이차 전지의 온도 변화에 따른 임피던스의 변화량을 보상하는 단계; 및
   상기 보상된 임피던스가 기 설정된 기준 임피던스에 도달시, 상기 이차 전지의 충전을 위한 충전 최대 전압을 변경시키는 단계를 포함하는 전지 충전 장치의 전지 충전 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 이차 전지를 충전시키는 단계는
   상기 이차 전지에 정전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 전지 충전 장치의 전지 충전 방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 임피던스를 측정하는 단계는
   상기 펄스 전류에 따른 상기 이차 전지의 전압 변화를 측정한 후 그 전압 차와 펄스 전류의 전류 차를 이용하여 이차 전지의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 전지 충전 장치의 전지 충전 방법.

Images