KR102511976B1 - Fast charge method to prevent lithium plating in an electric vehicle lithium-ion battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은, 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행하는 단계와; 테스트를 수행한 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출하는 단계와; 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출이 발생하는 지점으로 판단하는 단계; 및 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행함으로써 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 확보하며, 주어진 작동 조건과 특정한 안전 마진에 대하여 최대의 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.
The present invention relates to a rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery of an electric vehicle.
A rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery of an electric vehicle according to the present invention includes the steps of performing a basic performance test of a battery cell and a charging characteristic test for extracting modeling parameters; extracting modeling parameters for predicting electrical and thermal behavior of the battery cell that has undergone the test; Obtaining an inflection point of a voltage curve according to the charged charge amount using a dV / dQ curve, and determining the inflection point as a point where lithium precipitation occurs; and deriving a lithium precipitation line in the SOC section where charging is performed at a point where lithium precipitation occurs, and performing rapid charging along a safety limit line having a predetermined safety margin value from the derived lithium precipitation line.
According to the present invention, when a lithium ion battery for an electric vehicle is rapidly charged, lithium is deposited on the surface of the negative electrode by performing rapid charging in consideration of the charging time and the electrical and thermal characteristics of the battery cell along the set safety limit line. It has the advantage of prolonging the life of the battery, securing safety, and obtaining maximum efficiency for a given operating condition and a specific safety margin.

Description

전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법{Fast charge method to prevent lithium plating in an electric vehicle lithium-ion battery}Fast charge method to prevent lithium plating in an electric vehicle lithium-ion battery}

본 발명은 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery for an electric vehicle, and more particularly, during rapid charging of a lithium ion battery for an electric vehicle, by preventing lithium from precipitating on the surface of a negative electrode, It relates to a rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery of an electric vehicle that can secure lifespan and safety.

온실가스 감축목표 달성을 위해 국내·외의 전기자동차 시장의 확대와 관련 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기자동차의 보급 및 확산에 가속을 더하려면 주행거리 연장과 충전시간 단축이 가능한 급속 충전 기술의 발전이 뒷받침 되어야 한다. 그러나 충전율이 너무 높은 경우 리튬이온이 음극 내부에 삽입되지 못하고 표면에서 석출되는 리튬 플레이팅(plating) 현상이 발생한다. 이는 리튬이온전지의 열화와 부식을 촉진시켜 전지의 용량 감소와 성능 저하를 야기하며, 안전성 문제도 초래할 수 있다. 따라서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않는 조건 하에서 최적의 급속 충전 프로토콜(protocol)을 찾는 것이 중요하며, 합리적인 에너지 저장시스템 설계를 위해서는 급속 충전이 리튬이온전지의 전기적 및 열적 거동에 미치는 영향을 예측하는 것이 필수적이다.In order to achieve the greenhouse gas reduction target, the domestic and overseas electric vehicle market is expanding and related technology development is actively progressing. In order to accelerate the supply and spread of these electric vehicles, the development of fast charging technology that can extend the mileage and shorten the charging time must be supported. However, when the charging rate is too high, lithium plating occurs on the surface of the negative electrode instead of being inserted into the negative electrode. This accelerates deterioration and corrosion of the lithium ion battery, causing a decrease in capacity and performance of the battery, and may also cause safety problems. Therefore, it is important to find the optimal rapid charging protocol under conditions where lithium plating does not occur, and predicting the effect of rapid charging on the electrical and thermal behavior of lithium ion batteries is important for rational energy storage system design. It is essential.

급속 충전은 일반 충전에 비하여 높은 전류를 인가하기 때문에, 전극 내 리튬 이온의 인터컬레이션(intercalation)과 디인터컬레이션(deintercalation) 속도가 인가된 전류를 충분히 따라가지 못한다. 이로 인해 전극 물질을 열화(劣化)시키는 부반응(side reaction) 속도를 높이게 되고, 이는 리튬 이차전지의 저항을 증가시켜 충전 시 온도가 과도하게 상승하게 되어 리튬 이차전지의 사이클 수명이 상대적으로 급격히 감소하게 된다.Since rapid charging applies a higher current than normal charging, intercalation and deintercalation rates of lithium ions in the electrode cannot sufficiently follow the applied current. This increases the speed of a side reaction that degrades the electrode material, which increases the resistance of the lithium secondary battery and causes the temperature to rise excessively during charging, resulting in a relatively rapid decrease in the cycle life of the lithium secondary battery. do.

따라서, 리튬 이차전지의 온도 상승을 줄이고 충전 시간을 단축할 수 있는 최적 충전 조건의 연구는 실제로 사용되는 모든 분야에서 리튬 이차전지의 수명을 최대화하기 위하여 반드시 필요하다.Therefore, research on optimal charging conditions capable of reducing the temperature rise of the lithium secondary battery and shortening the charging time is absolutely necessary in order to maximize the lifespan of the lithium secondary battery in all fields where it is actually used.

한편, 한국 공개특허공보 제10-2017-0021630호(특허문헌 1)에는 "전지 충전 한계 예측 방법과 이를 이용한 전지 급속 충전 방법 및 장치"가 개시되어 있는바, 이에 따른 전지 충전 방법은 단위전지와 기준전극을 구비하는 삼전극셀 실험을 통해 SOC(state of charge)에 따른 음극 전위를 서로 다른 충전율별로 측정하는 데이터 취득 단계; 상기 취득된 데이터로부터 상기 음극 전위가 떨어지지 않고 일정하게 되기 시작하는 지점을 Li-플레이팅의 발생지점으로 판단하여 충전 한계로 설정하여 충전율을 단계적으로 변경하는 프로토콜을 얻는 단계; 및 상기 프로토콜로 전지를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, Korean Patent Publication No. 10-2017-0021630 (Patent Document 1) discloses a "battery charge limit prediction method and battery rapid charging method and device using the same", and the battery charging method according to this is a unit cell and A data acquisition step of measuring a cathode potential according to a state of charge (SOC) for each different charging rate through a three-electrode cell experiment having a reference electrode; determining a point at which the negative electrode potential does not fall and becomes constant from the obtained data as a point at which Li-plating occurs and setting it as a charging limit to obtain a protocol for gradually changing the charging rate; and charging the battery with the above protocol.

이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 음극 전위가 떨어지지 않고 일정하게 되기 시작하는 지점을 Li-플레이팅 발생 지점으로 판단하여 충전 한계로 설정하기 때문에 전지가 충전 중 Li-플레이팅 한계에 도달하는 위험에 노출될 수 있으며, 충전전류를 충전한계 지점에서 계단식(stepwise)으로 감소시키기 때문에 주어진 충전시간에 최대의 충전 효율을 달성하지 못하는 단점을 가지고 있다. 따라서 Li-플레이팅을 근원적으로 일어나지 않게 하는 안전 마진(margin of safety; MS)의 개념에 입각한 충전 방법의 도입이 필수적이며, 충전전류 역시 계단식이 아닌 연속적 감소에 의하여 주어진 충전 시간 내에 최대 효율을 달성할 필요가 있다.In the case of Patent Document 1 as described above, the point at which the negative electrode potential starts to become constant without dropping is determined as the Li-plating occurrence point and set as the charging limit, so the battery is at risk of reaching the Li-plating limit during charging. Since the charging current is reduced stepwise at the charging limit point, the maximum charging efficiency cannot be achieved in a given charging time. Therefore, it is essential to introduce a charging method based on the concept of a margin of safety (MS) that prevents Li-plating from occurring fundamentally, and the charging current is also reduced in a cascading manner to achieve maximum efficiency within a given charging time. need to achieve

한국 공개특허공보 제10-2017-0021630호(2017.02.28. 공개)Korean Patent Publication No. 10-2017-0021630 (published on February 28, 2017)

본 발명은 상기와 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention was created in consideration of the above matters comprehensively, and is an electric vehicle capable of securing the lifespan and safety of the battery by preventing the precipitation of lithium on the surface of the negative electrode during rapid charging of a lithium ion battery for an electric vehicle. Its purpose is to provide a rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery.

또한, 본 발명의 다른 목적은 리튬 플레이팅이 근원적으로 일어나지 않도록 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 특정 안전 한계 라인을 설정하고, 그 라인을 따라 충전전류를 계단식이 아닌 연속적으로 감소시킴으로써 주어진 충전 시간 내에 최대 효율을 달성함에 있다.In addition, another object of the present invention is to set a specific safety limit line having a constant safety margin value from the lithium precipitation line so that lithium plating does not fundamentally occur, and to reduce the charging current along the line continuously rather than stepwisely. To achieve maximum efficiency in a timely manner.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은,In order to achieve the above object, the rapid charging method for preventing lithium precipitation of an electric vehicle lithium ion battery according to the present invention,

전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있도록 하는 급속 충전 방법으로서,As a rapid charging method to secure the life and safety of the battery by preventing the precipitation of lithium on the surface of the negative electrode during rapid charging of lithium ion batteries for electric vehicles,

a) 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행하는 단계와;a) performing a basic performance test of a battery cell and a charging characteristic test for extracting modeling parameters;

b) 상기 테스트를 수행한 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출하는 단계와;b) extracting modeling parameters for predicting electrical and thermal behavior of the battery cell that has performed the test;

c) 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출(lithium plating)이 발생하는 지점으로 판단하는 단계; 및c) obtaining an inflection point of a voltage curve according to the amount of charged charge using a dV/dQ curve, and determining the inflection point as a point where lithium plating occurs; and

d) 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC(state of charge) 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.d) A lithium precipitation line is derived from the state of charge (SOC) section where charging is performed for the point where lithium precipitation occurs, and rapid charging is performed along a safety limit line having a constant safety margin value from the derived lithium precipitation line. Its feature is that it includes steps to perform.

여기서, 상기 단계 a)에서 배터리 셀의 기초 성능 테스트는 배터리 셀의 전압 특성 테스트, 전류 특성 테스트, 온도 특성 테스트를 포함할 수 있다.Here, the basic performance test of the battery cell in step a) may include a voltage characteristic test, a current characteristic test, and a temperature characteristic test of the battery cell.

또한, 상기 단계 b)에서 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터는 U와 Y를 포함할 수 있다.In addition, modeling parameters for predicting electrical and thermal behavior of the battery cell in step b) may include U and Y.

또한, 상기 단계 c)에서 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 선형 보간법(interpolation)과 보외법(extrapolation)을 이용하여 충전이 진행되는 구간에서 리튬 석출 라인을 설정할 수 있다.In addition, a lithium precipitation line may be set in a section where charging is performed by using linear interpolation and extrapolation for the point where lithium precipitation occurs in step c).

또한, 상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행함에 있어서, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행할 수 있다.In addition, in performing rapid charging along the safety limit line set in step d), rapid charging may be performed in consideration of the charging time and electrical and thermal characteristics of the battery cell along the set safety limit line.

또한, 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하기 위해 정량화된 지수인 MS(margin of safety)를 도입하여 MS 값의 대소에 따라 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, in order to determine the safety level of the fast charging algorithm according to the safety limit line, a quantified index, MS (margin of safety), is introduced to determine the safety level of the fast charging algorithm according to the safety limit line according to the magnitude of the MS value. A step of determining may be further included.

이때, 특정 충전 프로토콜의 효율을 나타내는 개념으로, 주어진 충전 SOC 범위내에서 특정 충전 프로토콜과 안전 한계 라인의 SOC에 대한 충전전류의 면적비로 정의되는 FF(fill factor)를 도입하여 충전 프로토콜의 효율성을 정량적으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.At this time, as a concept representing the efficiency of a specific charging protocol, the efficiency of the charging protocol is quantified by introducing the FF (fill factor), which is defined as the area ratio of the charging current to the SOC of the specific charging protocol and safety limit line within a given charging SOC range. The step of determining as may be further included.

또한, 상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라 급속 충전을 수행함에 있어서, 시작 전류를 특정 전류값으로 고정하고, 이후 전류는 리튬 석출 라인에 대해 특정 마진(margin)을 가지는 안전 한계 라인을 따르는 VCP(variable current protocol)를 적용하여 급속 충전을 수행할 수 있다.In addition, in performing rapid charging along the safety limit line set in step d), the starting current is fixed to a specific current value, and then the current follows the safety limit line having a specific margin with respect to the lithium deposition line. Fast charging may be performed by applying a variable current protocol (VCP).

이때, 상기 특정 전류값은 130A, 특정 마진은 20%일 수 있다.At this time, the specific current value may be 130A, and the specific margin may be 20%.

또한, 급속 충전 중 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측함으로써 전지 전압과 전지 온도가 전지제조사가 권장하는 전지의 안전 작동 범위를 벗어나는지 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, by predicting the electrical and thermal behavior of the battery cell using the electrical and thermal behavior prediction model of the battery cell during rapid charging, the step of determining whether the battery voltage and battery temperature is out of the safe operating range of the battery recommended by the battery manufacturer can include more.

또한, 급속 충전 중 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용한 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 결과와 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 실제로 테스트를 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 모델링의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the feasibility of the modeling is determined by comparing the electrical and thermal behavior prediction results of the battery cell using the electrical and thermal behavior prediction model of the battery cell during rapid charging with the results of actually measuring the electrical and thermal behavior of the battery cell through tests. A step of verifying may be further included.

또한, 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include verifying validity of the fast charging algorithm through a discharge test after charging the battery cell with the fast charging algorithm according to the safety limit line.

이와 같은 본 발명에 의하면, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전을 수행함으로써 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 확보하며, 주어진 작동 조건과 특정한 안전 마진에 대하여 최대의 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, during rapid charging of a lithium ion battery for an electric vehicle, charging is performed along the set safety limit line to prevent lithium precipitation on the surface of the negative electrode, thereby extending the life of the battery and securing safety, It has the advantage of obtaining maximum efficiency for a given operating condition and a specific safety margin.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 급속 충전 방법에 따라 배터리 셀의 기초 성능 테스트를 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 급속 충전 방법에 따라 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터 추출을 나타낸 도면이다.
도 4는 충전 전류에 따른 전압곡선의 변곡점을 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출이 발생하는 지점으로 판단하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 5는 MS를 이용하여 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 개요와, 마진 라인에 대한 설계 프로토콜의 효율성을 판단하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 방법에 채용되는 안전 한계 라인의 특정 마진을 따르는 VCP(Variable Current Protocol) 급속 충전 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 7은 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 급속충전 중의 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 8은 20% 마진, VCP 급속 충전 알고리즘의 모델링 결과와 시험 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 채용되는 VCP 급속 충전 알고리즘의 검증 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a flowchart showing the execution process of a rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery for an electric vehicle according to the present invention.
2 is a diagram showing the results of performing a basic performance test of a battery cell according to the fast charging method of the present invention.
3 is a diagram showing modeling parameter extraction for predicting electrical and thermal behavior of a battery cell according to the fast charging method of the present invention.
4 is a diagram showing an outline of obtaining an inflection point of a voltage curve according to a charging current and determining the inflection point as a point at which lithium precipitation occurs.
5 is a diagram showing an overview of determining the safety level of a fast charging algorithm using MS and an overview of determining the efficiency of a design protocol for a margin line.
6 is a diagram showing a VCP (Variable Current Protocol) fast charging algorithm following a specific margin of a safety limit line employed in the method of the present invention.
7 is a diagram showing an overview of predicting electrical and thermal behavior of a battery cell during rapid charging using a prediction model for electrical and thermal behavior of a battery cell.
8 is a diagram showing a comparison between modeling results and test results of a 20% margin, VCP fast charging algorithm.
9 is a diagram showing the verification result of the VCP fast charging algorithm employed in the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventors can properly define the concept of terms in order to best explain their invention. Based on the principle, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as "...unit", "...unit", "module", and "device" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware or software, or a combination of hardware and software. can be implemented as

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating an execution process of a rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery of an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있도록 하는 급속 충전 방법으로서, 먼저 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행한다(단계 S101). 여기서, 배터리 셀의 기초 성능 테스트는, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀의 전압 특성 테스트(A), 전류 특성 테스트(B), 온도 특성 테스트(C)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery for an electric vehicle according to the present invention prevents lithium from precipitating on the surface of a negative electrode during rapid charging of a lithium ion battery for an electric vehicle, As a rapid charging method for securing the lifespan and safety of a battery cell, first, a basic performance test of a battery cell and a charging characteristic test for extracting modeling parameters are performed (step S101). Here, the basic performance test of the battery cell may include a voltage characteristic test (A), a current characteristic test (B), and a temperature characteristic test (C) of the battery cell, as shown in FIG. 2 .

또한, 상기 테스트를 수행한 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출한다(단계 S102).) 여기서, 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터는, 도 3에 도시된 바와 같이, U와 Y를 포함할 수 있다. U와 Y는 모델링의 주요 파라미터로서 전류밀도(전극 단위면적당의 전류; 전극 단위면적당의 전기화학 반응속도)가 전극 전위차(Vp-Vn)에 선형적으로 관계하는 것을 나타내는 J=Y(Vp-Vn-U)의 수식에 들어가는 파라미터이다. U와 Y의 물리적 의미를 살펴보면, U는 전지의 평형 전위, Y는 전지 저항의 역수를 의미한다. U와 Y의 전지의 SOC에 따른 함수 관계를 알면, 전지의 전기적 거동 예측이 가능하다.In addition, modeling parameters for predicting electrical and thermal behavior of the battery cell that has undergone the test are extracted (step S102). Here, modeling parameters for predicting electrical and thermal behavior of the battery cell are shown in FIG. As noted above, U and Y may be included. U and Y are the main parameters of modeling, J=Y(Vp-Vn), which indicates that the current density (current per electrode unit area; electrochemical reaction rate per electrode unit area) is linearly related to the electrode potential difference (Vp-Vn). It is a parameter entered into the formula of -U). Looking at the physical meaning of U and Y, U means the equilibrium potential of the battery, and Y means the reciprocal of the battery resistance. If the functional relationship between U and Y according to the SOC of the battery is known, the electrical behavior of the battery can be predicted.

이렇게 하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터 추출이 완료되면, 그를 바탕으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 충전 대상 배터리 셀의 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출(lithium plating)이 발생하는 지점으로 판단한다(단계 S103). 여기서, 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 선형 보간법(interpolation)과 보외법(extrapolation)을 이용하여 충전이 진행되는 구간에서 리튬 석출 라인을 설정할 수 있다.In this way, when the modeling parameter extraction for predicting the electrical and thermal behavior of the battery cell is completed, based on it, as shown in FIG. It is obtained using and the inflection point is determined as a point where lithium plating occurs (step S103). Here, a lithium deposition line may be set in a section in which charging is performed using linear interpolation and extrapolation for the point where lithium precipitation occurs.

그런 후, 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC (state of charge) 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행한다(단계 S104).Then, a lithium precipitation line is derived from the SOC (state of charge) section where charging is performed for the point where lithium precipitation occurs, and rapid charging is performed along a safety limit line having a constant safety margin value from the derived lithium precipitation line. is performed (step S104).

여기서, 상기 단계 S104에서 설정된 리튬 석출 라인을 따라서 급속 충전을 수행함에 있어서, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행할 수 있다.Here, in performing rapid charging along the lithium deposition line set in step S104, rapid charging may be performed in consideration of the charging time and electrical and thermal characteristics of the battery cell along the set safety limit line.

또한, 상기 단계 S104에서 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하기 위해, 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 정량화된 지수인 MS(margin of safety)를 도입하여 MS 값의 대소에 따라 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 MS는 급속 충전 알고리즘이 리튬 석출 라인에 대해 가지는 여유 정도를 의미한다. 충전 범위에서 MS값이 최소인 지점인 MSmin의 값이 클수록 안전한 급속 충전 알고리즘으로 판단할 수 있다. 이때, MSmin의 값이 0보다 작거나 같으면 리튬 석출이 발생하는 안전하지 않은 알고리즘으로 판단할 수 있다.In addition, in order to determine the degree of safety of the fast charging algorithm according to the safety limit line in step S104, as shown in FIG. The method may further include determining the degree of safety of the fast charging algorithm according to the safety limit line according to the magnitude of . Here, MS means the degree of margin that the fast charging algorithm has for the lithium deposition line. As the value of MS min , which is the point where the MS value is the minimum in the charging range, is larger, it can be determined as a safe fast charging algorithm. At this time, if the value of MS min is less than or equal to 0, it can be determined as an unsafe algorithm in which lithium precipitation occurs.

또한, 본 발명의 방법에서는 도 5의 (B)와 같이 특정 충전 프로토콜의 효율을 나타내는 개념으로, 주어진 충전 SOC 범위내에서 특정 충전 프로토콜과 안전 한계 라인의 SOC에 대한 충전전류의 면적비로 정의되는 FF(fill factor)를 도입하여 충전 프로토콜의 효율성을 정량적으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, FF 값이 1에 가까울수록 효율적인 프로토콜로 판단할 수 있다.In addition, in the method of the present invention, as shown in (B) of FIG. 5, as a concept representing the efficiency of a specific charging protocol, FF defined as the area ratio of the charging current to the SOC of the specific charging protocol and safety limit line within a given charging SOC range A step of quantitatively determining the efficiency of the filling protocol by introducing a fill factor may be further included. At this time, the closer the FF value is to 1, the more efficient the protocol can be determined.

또한, 상기 단계 S104에서 설정된 안전 한계 라인을 따라 급속 충전을 수행함에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 시작 전류를 특정 전류값으로 고정하고, 이후 전류는 리튬 석출 라인에 대해 특정 마진(margin)을 따르는 VCP(variable current protocol)를 적용하여 급속 충전을 수행할 수 있다. 이때, 상기 특정 전류값은 130A, 특정 마진은 20%일 수 있다. 여기서, 시작 전류를 130A로 설정한 것은 전기자동차 충전기의 사양을 고려한 것이다. 또한, 리튬 석출 라인의 마진을 20%로 설정한 것은 반드시 이와 같이 20%로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니며, 급속 충전의 설계 목적, 사용 환경, 배터리 전극의 종류와 조성에 따라 다른 값으로 설정될 수도 있다.In addition, in performing rapid charging along the safety limit line set in step S104, as shown in FIG. 6, the starting current is fixed to a specific current value, and then the current is set at a specific margin for the lithium deposition line. Fast charging can be performed by applying a variable current protocol (VCP) that follows. At this time, the specific current value may be 130A, and the specific margin may be 20%. Here, setting the starting current to 130A takes into consideration the specifications of the electric vehicle charger. In addition, setting the margin of the lithium deposition line to 20% does not necessarily mean that it is limited to 20%, and may be set to a different value depending on the design purpose of rapid charging, the use environment, and the type and composition of the battery electrode. may be

또한, 이상과 같은 본 발명의 급속 충전 방법은, 도 7에 도시된 바와 같이, 급속 충전 중 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측함으로써 전지 전압과 전지 온도가 전지제조사가 권장하는 전지의 안전 작동 범위를 벗어나는지 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 7, the rapid charging method of the present invention as described above predicts the electrical and thermal behavior of the battery cell using the electrical and thermal behavior prediction model of the battery cell during rapid charging, thereby predicting the battery voltage and battery A step of determining whether the temperature is out of the safe operating range of the battery recommended by the battery manufacturer may be further included.

또한, 본 발명의 방법은, 도 8에 도시된 바와 같이, 급속 충전 중 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용한 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 결과와 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 실제로 테스트를 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 모델링의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다. 도 8의 예시는 20% 마진, VCP 급속 충전 알고리즘의 모델링 결과와 시험 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 도 8에서 (A)는 전압 특성 곡선 비교 결과, (B)는 전류 특성 곡선 비교 결과, (C)는 온도 특성 곡선 비교 결과를 각각 나타낸다.In addition, as shown in FIG. 8, the method of the present invention actually predicts the electrical and thermal behavior of the battery cell and the electrical and thermal behavior of the battery cell using the electric and thermal behavior prediction model of the battery cell during rapid charging. A step of verifying validity of the modeling through comparison with a result measured through a test may be further included. The example of FIG. 8 shows the comparison of the modeling results and test results of the 20% margin, VCP fast charging algorithm. In FIG. 8 , (A) represents a comparison result of voltage characteristic curves, (B) represents a comparison result of current characteristic curves, and (C) represents a comparison result of temperature characteristic curves.

또한, 본 발명의 방법은, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 10분 이내에 100km를 주행할 수 있는 전기에너지(셀: 60.74Wh)를 충전할 수 있는 급속 충전 알고리즘을 지향하기 때문에 본 발명에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 것이다. 도 9에서 (A)는 VCP 급속 충전 알고리즘의 검증 결과를 특성 그래프로 나타낸 것이고, (B)는 인가 전류에 따른 충전 에너지(전력)의 도달 시간을 표로 나타낸 것이다.In addition, as shown in FIG. 9, the method of the present invention may further include verifying the legitimacy of the fast charging algorithm through a discharge test after charging the battery cell with the fast charging algorithm according to the safety limit line. can That is, since the present invention aims for a fast charging algorithm capable of charging electric energy (cell: 60.74 Wh) capable of traveling 100 km within 10 minutes, the battery cell is charged with the fast charging algorithm according to the present invention and then discharged. The test is to verify the legitimacy of the fast charging algorithm. 9, (A) shows the verification result of the VCP fast charging algorithm as a characteristic graph, and (B) shows the arrival time of charging energy (power) according to the applied current as a table.

아래의 표 1은 특정 안전 한계 라인을 따르는 동일한 MSmin 값을 가지는 다양한 급속충전 프로토콜로 충전했을 때 결과를 비교한 것이다. 표 1을 통해 FF 값이 가장 큰 값을 가지는 VCP가 충전시간이 가장 빠르고 최고전압은 가장 낮은 것을 알 수 있다. 최고출력과 최고온도는 같거나 비교적 높지만 배터리의 안전을 저해하지 않는 수준이다. 이는 FF 값이 가장 큰 VCP 급속 충전 알고리즘이 우수한 성능을 가진다는 것을 의미한다.Table 1 below compares the results when charging with various fast charging protocols with the same MS min values along certain safety limit lines. From Table 1, it can be seen that the VCP having the largest FF value has the fastest charging time and the lowest highest voltage. The maximum output and maximum temperature are the same or relatively higher, but at a level that does not impair the safety of the battery. This means that the VCP fast charging algorithm with the largest FF value has excellent performance.

급속충전 프로토콜fast charge protocol 충전시간
[s]
charging time
[s]
최고전압
[V]
highest voltage
[V]
최고출력
[W]
peak power
[W]
최고온도
[℃]
highest temperature
[℃]
Li plating FactorLi plating Factor 충전방법Charging method
MSmin MS min FFFF 3 steps3 steps 630630 3.963.96 507.9507.9 30.130.1 0.250.25 0.880.88 Step chargeStep charge 4 steps4 steps 615615 3.953.95 507.9507.9 30.330.3 0.250.25 0.900.90 5 steps5 steps 600600 3.953.95 507.9507.9 30.430.4 0.250.25 0.910.91 VCVC 579579 3.943.94 507.9507.9 3131 0.250.25 0.940.94 VCPVCP

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행함으로써 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 확보하며, 주어진 작동 조건과 특정한 안전 마진에 대하여 최대의 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.As described above, the rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery for an electric vehicle according to the present invention is fast charging the lithium ion battery for an electric vehicle, along the set safety limit line, the charging time and the electrical and By performing rapid charging in consideration of thermal characteristics, the phenomenon of lithium precipitation on the surface of the anode is prevented to extend the life of the battery, secure safety, and to obtain maximum efficiency for given operating conditions and a specific safety margin. there is.

또한, 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증함으로써, 본 발명에 따른 급속 충전 방법을 전기자동차용 배터리 셀에 적용할 시 빠른 시간 내에 안전하게 충전할 수 있는 장점이 있다.In addition, after charging the battery cell with the fast charging algorithm according to the safety limit line, by verifying the legitimacy of the fast charging algorithm through a discharge test, when the fast charging method according to the present invention is applied to a battery cell for an electric vehicle, a fast time It has the advantage of being able to safely charge within.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the present invention has been described in detail through preferred embodiments, the present invention is not limited thereto, and various changes and applications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. self-explanatory for technicians Therefore, the true scope of protection of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있도록 하는 급속 충전 방법으로서,
a) 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행하는 단계와;
b) 상기 테스트를 수행한 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출하는 단계와;
c) 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출(lithium plating)이 발생하는 지점으로 판단하는 단계; 및
d) 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC(state of charge) 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 단계 c)에서 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 선형 보간법(interpolation)과 보외법(extrapolation)을 이용하여 충전이 진행되는 구간에서 리튬 석출 라인을 설정하며,
상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하기 위해 정량화된 지수인 MS(margin of safety)를 도입하여 MS 값의 대소에 따라 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 단계와,
특정 충전 프로토콜의 효율을 나타내는 개념으로, 주어진 충전 SOC 범위내에서 특정 충전 프로토콜과 안전 한계 라인의 SOC에 대한 충전전류의 면적비로 정의되는 FF(fill factor)를 도입하여 충전 프로토콜의 효율성을 정량적으로 판단하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
As a rapid charging method to secure the life and safety of the battery by preventing the precipitation of lithium on the surface of the negative electrode during rapid charging of lithium ion batteries for electric vehicles,
a) performing a basic performance test of a battery cell and a charging characteristic test for extracting modeling parameters;
b) extracting modeling parameters for predicting electrical and thermal behavior of the battery cell that has performed the test;
c) obtaining an inflection point of a voltage curve according to the amount of charged charge using a dV/dQ curve, and determining the inflection point as a point where lithium plating occurs; and
d) A lithium precipitation line is derived from the state of charge (SOC) section where charging is performed for the point where lithium precipitation occurs, and rapid charging is performed along a safety limit line having a constant safety margin value from the derived lithium precipitation line. Including the steps to perform,
In step c), a lithium precipitation line is set in a section where charging is performed using linear interpolation and extrapolation for the point where lithium precipitation occurs,
In order to determine the safety level of the fast charging algorithm according to the safety limit line, a quantified index, MS (margin of safety), is introduced to determine the safety level of the fast charging algorithm according to the safety limit line according to the magnitude of the MS value. steps,
As a concept representing the efficiency of a specific charging protocol, the efficiency of the charging protocol is quantitatively determined by introducing the FF (fill factor), which is defined as the area ratio of the charging current to the SOC of a specific charging protocol and safety limit line within a given charging SOC range A rapid charging method for preventing lithium precipitation of an electric vehicle lithium ion battery further comprising the step of doing.
제1항에 있어서,
상기 단계 a)에서 배터리 셀의 기초 성능 테스트는 배터리 셀의 전압 특성 테스트, 전류 특성 테스트, 온도 특성 테스트를 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 1,
The basic performance test of the battery cell in step a) includes a voltage characteristic test, a current characteristic test, and a temperature characteristic test of the battery cell. Rapid charging method for preventing lithium precipitation of a lithium ion battery.
제1항에 있어서,
상기 단계 b)에서 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터는 전지의 평형 전위를 의미하는 U와 전지 저항의 역수를 의미하는 Y를 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 1,
In step b), the modeling parameters for predicting the electrical and thermal behavior of the battery cell include U, which means the equilibrium potential of the battery, and Y, which means the reciprocal of the battery resistance. fast charging method for
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행함에 있어서, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 1,
In performing rapid charging along the safety limit line set in step d), lithium precipitation of the lithium ion battery of an electric vehicle performing rapid charging in consideration of the charging time and electrical and thermal characteristics of the battery cell along the set safety limit line fast charging method to prevent
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라 급속 충전을 수행함에 있어서, 시작 전류를 특정 전류값으로 고정하고, 이후 전류는 리튬 석출 라인의 특정 마진(margin)을 가지는 안전 한계 라인을 따르는 VCP(variable current protocol)를 적용하여 급속 충전을 수행하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 1,
In performing rapid charging along the safety limit line set in step d), the starting current is fixed to a specific current value, and then the current is VCP (variable) following the safety limit line having a specific margin of the lithium deposition line. A rapid charging method for preventing lithium precipitation in lithium ion batteries of electric vehicles that perform rapid charging by applying current protocol).
제8항에 있어서,
상기 특정 전류값은 130A, 특정 마진은 20%인 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 8,
The specific current value is 130A, the specific margin is a rapid charging method for preventing lithium precipitation of an electric vehicle lithium ion battery of 20%.
제1항에 있어서,
급속 충전 중 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측함으로써 전지 전압과 전지 온도가 전지제조사가 권장하는 전지의 안전 작동 범위를 벗어나는지 판정하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 1,
Further comprising the step of determining whether the battery voltage and battery temperature are out of the safe operating range of the battery recommended by the battery manufacturer by predicting the electrical and thermal behavior of the battery cell using the electric and thermal behavior prediction model of the battery cell during rapid charging. A rapid charging method for preventing lithium precipitation in lithium ion batteries of electric vehicles.
제10항에 있어서,
급속 충전 중 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용한 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 결과와 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 실제로 테스트를 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 모델링의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 10,
The validity of the modeling is verified by comparing the electrical and thermal behavior prediction results of the battery cell using the electrical and thermal behavior prediction model of the battery cell during rapid charging with the results of actually measuring the electrical and thermal behavior of the battery cell through tests. A rapid charging method for preventing lithium precipitation of an electric vehicle lithium ion battery further comprising the step of doing.
제1항에 있어서,
상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
According to claim 1,
After charging the battery cell with the fast charging algorithm according to the safety limit line, the fast charging method for preventing lithium precipitation of the lithium ion battery of an electric vehicle further comprising the step of verifying the legitimacy of the fast charging algorithm through a discharge test.
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