KR102531486B1 - 활성 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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올렉산드르 카첸코
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지배터리즈 에너지 캐나다 인코포레이티드
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Abstract

배터리 셀을 충전하기 위한 방법은 전력 소스로부터 배터리 셀 내의 복수의 용량성 구역으로의 에너지의 제1 전달 단계 이후에, 적어도 배터리 셀을 구성하는 전해질 혼합물 및 전해질 혼합물에 침지된 전극들로의 배터리 셀의 복수의 용량성 구역에 저장된 전하의 전달 단계를 포함한다. 배터리 셀 내의 용량성 구역들은 배터리 셀을 구성하는 전해질 혼합물과 활성 재료의 입자들 사이에 용량성 이중층들을 포함한다. 전력 소스로부터 용량성 구역들로의 에너지의 전달은 용량성 구역들을 실질적으로 완전히 충전하기에 충분한 제1 지속 시간 동안 발생한다.

Description

활성 배터리 관리 시스템
관련 출원들의 교차 참조
35 U.S.C. § 119(e)에 의거하여, 본 출원은 2017년 1월 5일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/442,926호의 출원일의 이익을 받을 권한을 갖고 이를 주장하며, 그 내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다.
배터리 기술의 발전들은 시장 수요를 따라가지 못했다. 전하 저장 용량의 측면뿐 아니라 배터리의 동작 수명(년 및/또는 충전/방전 사이클들의 수)을 연장시키는 측면 둘 모두에서 배터리 시스템들의 성능을 개선할 필요가 있다.
뒤따르는 그리고 특히 도면들에 대한 논의에 관하여, 도시된 세부사항들이 예시적인 논의의 목적들을 위한 예들을 나타내고, 본 개시내용의 원리들 및 개념 양상들의 설명을 제공하기 위해 제시되는 것이 강조된다. 이에 관련하여, 본 개시내용의 기본적인 이해를 위해 필요한 것 이외의 구현 세부사항들을 도시하기 위한 어떠한 시도도 이루어지지 않는다. 도면들과 함께 뒤따르는 논의는 통상의 기술자들에게 본 개시내용에 따른 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지를 명백하게 한다. 유사하거나 동일한 참조 번호들은 다양한 도면들 및 지지 설명들에서 유사하거나 동일한 엘리먼트들을 식별 또는 달리 지칭하는 데 사용될 수 있다.
도 1a는 충전된 상태의 배터리 셀의 개략도이다.
도 1b는 방전된 상태의 배터리 셀의 개략도이다.
도 2a는 방전 동안 배터리 셀의 개략도이다.
도 2b는 충전 동안 배터리 셀의 개략도이다.
도 3 및 도 3a는 배터리 셀의 개략도 상에서 용량성 구역들을 예시한다.
도 4는 배터리 셀을 충전할 때 종래의 충전 전류 프로파일을 도시한다.
도 5a, 도 5b, 및 도 6은 본 개시내용에 따른 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 7은 본 개시내용에 따른 배터리 셀을 충전할 때 충전 전류 프로파일을 도시한다.
도 8은 본 개시내용에 따른 충전 펄스를 도시한다. 도 8a는 본 개시내용에 따른 배터리 셀을 충전할 때 충전 전류 프로파일을 도시한다.
도 9는 높은 유도성 성분을 포함하는 본 개시내용에 따른 배터리 셀을 충전할 때 충전 전류 프로파일을 도시한다.
다음 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 다수의 예 및 특정 세부사항은 본 개시내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 청구항들에서 표현된 바와 같이 본 개시내용이 단독으로 또는 아래에 설명된 다른 특징들과 조합하여, 이들 예들의 특징들의 일부 또는 모두를 포함할 수 있고, 본원에 설명된 특징들 및 개념들의 수정들 및 등가물들을 더 포함할 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 1a는 배터리 셀(100) 및 특히 리튬-이온 배터리 셀의 단순화된 개략도를 도시한다. "배터리" 또는 배터리 팩은 몇몇 배터리 셀들(100)을 포함할 수 있다. 배터리 셀(100)은 통상적으로 배터리 셀의 컴포넌트들을 유지하기 위한 케이싱(casing)(102)을 포함한다. 배터리 셀(100)은 적합한 전해질(112a)에 침지된 애노드(음의 전극)(104)를 포함할 수 있다. 애노드(104)는 임의의 적합한 화합물, 이를테면 다공성의 탄소 입자들; 예컨대 시트(sheet)들 내에 배열된 흑연 입자들을 포함할 수 있다. 배터리 셀(100)은 전해질(112b)에 침지된 캐소드(106)를 더 포함할 수 있다. 캐소드(106)는 임의의 적합한 금속 산화물 화합물, 이를테면 코발트-산화물(CoO2) 입자들(116a)을 포함할 수 있다. 도 1a에 도시된 배터리 셀(100)은 애노드(104)를 구성하는 탄소 입자들(116a)과 리튬 이온들(114)의 인터칼레이션(intercalation)을 도시하는 충전된 배터리 셀의 예를 나타낸다. 도면은, 충전 상태에서, 일부 리튬 이온들(114)이 캐소드(106)와 인터칼레이팅된 상태로 있는 것을 도시한다.
도 1b는, 리튬 이온들(114)이 애노드(104)로부터 캐소드(106)로 이동하였고, 리튬-금속 산화물 입자들(116c); 예컨대 LiCoO2를 형성하기 위해 캐소드(106)의 금속 산화물 입자들(116b)과 결합된 방전된 배터리 셀(100)의 예를 나타낸다.
도 2a는 배터리 셀(100)의 방전 프로세스; 예컨대 배터리 셀(100)이 부하(202)를 통해 연결된 때를 나타낸다. 방전 동안, 이온들(예컨대, 리튬 이온들)은 음의 전극으로부터 양의 전극으로 전해질을 통해 흐른다. 전자들은 부하를 통해 음의 전극으로부터 양의 전극으로 흐른다. 리튬 이온들 및 전자들은 양의 전극에서 결합된다. 더 이상 리튬 이온들이 흐르지 않을 때, 배터리는 방전된 것으로 간주된다.
도 2b는 충전 프로세스를 나타낸다. 충전 동안, 리튬 이온들은 전해질을 통해 양의 전극으로부터 음의 전극으로 흐른다. 전자들은 외부 충전기(204)를 통해 양의 전극으로부터 음의 전극으로의 방향으로 흐른다. 전자들 및 리튬 이온들은 음의 전극에서 결합되고 거기에 침전된다. 더 이상 리튬 이온들이 흐르지 않을 때, 배터리는 충전되어 사용할 준비가 된 것으로 간주된다.
일반적으로, 배터리 셀이 배터리 셀 내에 용량성 구역들을 포함하는 것이 이해된다. 이들 용량성 구역들은 통상적으로 배터리 셀 등가 회로 모델들로서 나타내진다. 예컨대, 일부 배터리 셀 등가 회로 모델들은 배터리 셀의 배터리 전극들의 표면들에서 배터리 셀의 전해질에 전하 축적의 순수 효과를 모델링하는 이중층 커패시턴스를 포함한다. 일부 배터리 셀 등가 회로 모델들은 충전 및 방전 동안 배터리 셀의 과도 응답을 나타내기 위해 등가 커패시턴스를 포함한다. 용량성 구역들은 배터리 셀에 인가된 전압과 이의 SOC(State Of Charge) 사이의 관계 등에 의해 형성된 의사 커패시턴스로서 나타내 질 수 있다. 이들 용량성 구역들의 결합된 커패시턴스는 상당할 수 있다.
도 3을 참조하면, 배터리 셀 내의 용량성 구역들(302)은 배터리 셀(100)의 내부 볼륨에 걸쳐 분포될 수 있다. 배터리 셀(100) 내의 용량성 구역들(302)은 배터리 전극들(104, 106), 전류 콜렉터들(current collectors)(114a, 114b), 및 분리기(108)를 형성하는 재료들의 구조들의 비-균일성들 및 배터리 셀(100) 내의 전해질의 농도 분포의 비-균일성들로 인해 발생할 수 있다. 도 3은 예컨대, 전해질과 활성 재료의 입자들(예컨대, 음의 전극 내의 탄소 입자들, 양의 전극 내의 금속 산화물 입자들 등) 사이에 용량성 이중층을 포함하는 음 및 양의 전극들(104, 106) 내의 용량성 구역들(302)의 일부 예들을 예시한다. 용량성 구역들이 배터리 셀(100) 내의 다른 곳; 예컨대, 분리기(108) 내(예컨대, 분리기와 전해질 사이의 인터페이스들에), 양의 전극(106) 내 등에서 발생할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 3a는 전극들(3(예컨대, 음의 전극) 및 4(예컨대, 양의 전극))을 가진 배터리(5)의 단순화된 개략도를 묘사한다. 몇몇 용량성 구역들(1, 2, ... n)은 전극(3) 전반에 걸쳐 분포된 것으로 나타내진다.
용량성 구역들은 예컨대, 용량성 구역들 사이의 상이한 크기들로 인해 상이한 등가 커패시턴스들을 가질 수 있다. 게다가, 용량성 구역들은 동일한 일반 영역을 가짐에도 상이한 등가 커패시턴스들을 가질 수 있다. 이것은, 예컨대, 용량성 구역들을 형성하는 재료들의 비-균일성들로 인해 발생할 수 있다. 도 3a에서, 예컨대, 전극(3) 내의 총 영역(A)을 가진 용량성 구역(1)에서 이중층의 등가 커패시턴스는 일반적으로 동일한 영역의 용량성 구역(2)에서 이중층의 등가 커패시턴스와 상이할 수 있다. 용량성 구역들의 등가 커패시턴스들은 일반적으로 시간에 걸쳐 안정하지만, c는 배터리 셀의 수명에 걸쳐 변화한다.
배터리 셀(100)의 충전 프로세스 동안, 배터리 셀 내의 용량성 구역들(예컨대, 도 3의 302)에 전하가 축적되는 것이 믿어진다. 배터리 셀(100)은 이들 용량성 구역들에 축적된(저장된) 전하 에너지를 소산(방전)시키기 위한 다수의 메커니즘을 포함한다. 소산 메커니즘들은 실질적으로 배터리 셀 내에 분포된다. 소산 메커니즘들이 음의 전극(104) 내의 리튬 이온들을 양의 전극(106)에 재분배하기 위해 음의 전극(104), 주위의 전해질, 리튬 이온들의 재료에서 전기화학 반응들을 유도하도록 용량성 구역들에 저장된 에너지를 전달하는 것이 믿어진다. 따라서, 용량성 구역들에 저장된 에너지는 음의 단자로부터 양의 단자로 리튬 이온들의 재분배와 같은 이온 저장 형태로 전달된다.
전하 소산은, 배터리 셀 내에서 용량성 구역들의 물리적 구성 및 이들의 위치들에 의존하여, 배터리 셀 내의 상이한 용량성 구역들에 대해 상이한 속도들로 발생할 수 있다. 방전 속도는 주어진 용량성 구역에 축적된 전하의 국부적 레벨들, 용량성 구역이 발생하는 영역에서 소산 메커니즘의 국부적 특성들 등에 의해 정의되고 영향을 받을 수 있다. 도 3a를 참조하여, 예컨대, 용량성 구역들(1, 2 내지 n) 사이에서 소산 속도들은 서로 상이할 수 있다. 그런 차이들로 인해, 용량성 구역(1)에 대한 소산 시간(dt1)은 용량성 구역(2)에 대한 소산 시간(dt2) 및 용량성 구역(n)에 대한 소산 시간(dtn)과 상이할 수 있다. 이들 소산 메커니즘들은 용량성 구역들(1, 2 ... n)에 저장된 에너지의 동시 방전을 허용한다. 따라서, 방전 시간들(dt1, dt2, ... dtn) 중 가장 긴 방전 시간은 용량성 구역들 내에 저장된 에너지를 화학적 형태로 소산시키기 위해 전달하는 데 충분한 시간이어야 한다. 소산 시간들이 보통 0.1 μs 내지 100 ms 범위인 것이 관찰되었다.
도 4는 충전 펄스를 사용하여, 시간의 함수로서 표현된 배터리 충전 동안 배터리 셀을 통한 충전 전류를 나타내는 충전 전류 프로파일을 도시한다. 충전 펄스는 충전기(508)를 배터리 셀(100)을 통해 연결하기 위한 충전기 스위칭 메커니즘(예컨대, 예를 들어 스위칭 FET일 수 있는 도 5a의 SW))을 제어할 수 있다. t1과 t2 사이의 기간은, 충전기 스위칭이 비-전도 상태로부터 전도 상태로 전이함에 따라 충전 전류의 점진적 상승을 도시하는, 충전기 스위칭 메커니즘의 턴-온(turn-on) 시간을 나타낸다. t1과 t2 사이의 기간은 또한 다른 전류 제한 요소들, 이를테면 배터리 셀 및 충전기 회로의 유도성 성분들을 포함할 수 있다. 시간 t2는, 충전기 스위칭 메커니즘이 완전히 온(ON)인 것으로 간주되는 시간을 나타낼 수 있다.
도 4에서 t2와 t3 사이의 기간은, 배터리 셀 내의 용량성 구역들이 충전되고 있는 기간을 나타낸다. 시간 t3는, 배터리 셀 내의 용량성 구역들이 최대 충전 저장 상태에 있는 것으로 간주되는 시간을 나타낼 수 있다. 따라서, t3와 t4 사이의 기간 동안 충전 전류는 주로 이온 전달 프로세스들에 의해 정의된 충전 전류를 나타낸다.
시간 t4에서, 충전기 스위칭 메커니즘은 턴 오프(OFF)된다. t4와 t5 사이의 기간은, 충전기 스위칭 메커니즘이 전도 상태로부터 비-전도 상태로 전이함에 따라 충전 전류의 점진적 감소 흐름을 도시하는, 충전기 스위칭 메커니즘의 턴-오프 시간을 나타낸다. 충전 펄스는, 시간 t5로부터 시간 t6까지의 지연 기간 이후, 시간(t6)에서 반복된다.
본 발명자들은, 각각의 충전 펄스에서 t3와 t4 사이의 기간을 감소시키는 것이 이익일 수 있다는 것을 발견하였다. t3와 t4 사이의 기간을 충분히 감소시킴으로써, 충전기(예컨대, 도 5a의 508)로부터의 모든 또는 거의 모든 에너지는 위에서 설명된 바와 같이, 용량성 구역들의 충전/소산 메커니즘을 통해 배터리 셀(100)을 충전시키는 데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명자들은, 충전 전류가 배터리 셀 내의 용량성 구역들을 완전히 충전시키기에만 충분히 길게 배터리 셀에 인가되고 이어서 일정 기간 동안 제거되면, 배터리 셀이 종래 기술 충전 방법론들과 비교하여, 배터리 셀의 온도 증가를 발생시키지 않고 더 빠른 전체 충전을 가능하게 할 수 있다는 것을 나타낸다는 것을 발견하였다. 게다가, 본 발명자들은, 장기적인 배터리 캘린더(calendar) 수명 및 충전 사이클 수명이 개선될 수 있다는 것을 발견하였다; 예컨대, 더 적은 용량 페이드 오버(fade over) 연장 사용이 관찰되었다.
이제 도 5a 및 도 5b를 참조하여, 배터리 셀(100) 내의 용량성 구역들(예컨대, 도 3)이 실질적으로 완전히 충전되었을 때를 검출하기 위한 본 개시내용에 따른 일부 실시예들에 대해 논의가 이루어질 것이다. 기본적인 충전 구성은 충전될 배터리 셀(100), 충전기(508)(충전 회로), 및 충전기 스위칭 메커니즘(SW)을 포함한다. 충전기 스위칭 메커니즘의 스위칭은 적합한 제어기(510)에 의해 생성된 스위치 제어 신호를 통해 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 배터리 셀(100) 내의 용량성 구역들이 실질적으로 완전히 충전되는 것을 검출하는 것은 측정에 의해 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 검출은 배터리 셀(100)을 통과하는 충전 전류(I)의 변화 속도를 측정함으로써 달성될 수 있다. 도 5a는, 예컨대, 전류 센서(7) 및 전압 센서(8)(예컨대, 전압 센서(8)는 분압기일 수 있음)를 포함하는 실시예를 도시한다. 전류 센서(7)는 (아날로그 신호 형태의) 충전 전류(I)의 측정치를 아날로그 신호 프로세서(12)에 제공할 수 있다. 아날로그 신호 프로세서(12)는 시간의 함수로서 충전 전류(I)의 제1 도함수를 계산하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 아날로그 신호 프로세서(12)는 시간의 함수로서 충전 전류(I)의 제2 도함수를 계산하도록 구성될 수 있다.
도 5b는 디지털화된 실시예를 예시한다. 예컨대, 전류 센서(7)의 출력은 ADC(9)에 의해 디지털 양으로 변환될 수 있다. 유사하게, 전압 센서(8)의 출력은 ADC(10)에 의해 디지털 양으로 변환될 수 있다. 디지털 신호 프로세서(11)는 시간의 함수로서 충전 전류(I)의 제1 도함수 또는 제2 도함수 같은 충전 전류(I)의 변화 속도를 표시하는 적합한 메트릭(metric)을 계산하도록 구성될 수 있다.
도 6은, 배터리 셀(100) 내의 용량성 구역들이 실질적으로 완전히 충전된 것을 검출하기 위한 다른 실시예를 예시한다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 검출은, 배터리 셀 용량성 구역들이 실질적으로 충전될 때를 표시하는 데이터를 포함하는 룩업 테이블(lookup table)(602)의 사용에 의해 달성될 수 있다. 데이터는 용량성 구역 충전 시간 대 요소들, 이를테면 배터리 셀 온도, 충전 상태, 사이클 및 캘린더 수명, 제조 배치(batch), 즉석 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 측정들, 배터리 관리 시스템(BMS) 진단 메시지들 등에 관련된 정보를 포함할 수 있다. 배터리 셀(100)은 (예컨대, 생산 동안) 이들 메트릭들 중 하나 이상에 따라 특징화되고, 이어서 룩업 테이블에 저장될 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(100)의 샘플들은 다양한 동작 조건들(예컨대, 온도, 수명, 충전 상태 등) 하에서 테스트될 수 있고, 배터리 셀들 내의 용량성 구역들을 실질적으로 완전히 충전시키기 위한 시간들(충전 시간들)은 수집될 수 있다. 충전 시간들의 수집은 동작 조건들의 다양한 조합들에 대해 충전 시간 데이터를 생성하기 위해 다양한 계산들(예컨대, 평균화 등)을 받을 수 있다. 충전 시간 데이터 및 이의 연관된 동작 조건들은 룩업 테이블에 저장될 수 있다. 동작 시, 하나 이상의 배터리 측정들(동작 조건들)은 이루어질 수 있고 이들 측정들로부터 충전 시간을 찾거나 달리 결정하는 데 사용될 수 있다. 이어서, 제어기(604)는 룩업 테이블(602)로부터 획득된 충전 시간들에 따라 충전 스위칭 메커니즘(SW)을 동작시킬 수 있다.
본 개시내용에 따른 실시예들은 본원에 개시된 개선된 펄스화 충전 프로세스를 통해 배터리 셀을 충전하는 것을 포함한다. 각각의 충전 펄스는 2 개의 단계들: (1) 펄스의 온 시간 동안 전기 충전 프로세스를 통해 전력 소스로부터 배터리 셀 내의 용량성 구역들로 에너지를 전달하는 단계; 및 (2) 펄스의 오프 시간 동안 소산 메커니즘들을 통해 배터리 셀의 용량성 구역들로부터의 에너지를 이온 저장 형태로 전달하는 단계를 포함한다. 특히, 펄스는, 용량성 구역들이 용량성 구역들에 저장된 에너지를 이온 저장 형태로 전달하기 위해 완전히 충전된 시간쯤에 턴 오프된다.
도 7은 본 개시내용의 충전 펄스에 따른 충전 전류 프로파일을 도시한다. t1과 t2 사이의 기간은, 위에서 설명된 바와 같이, 충전기 스위칭 메커니즘이 턴 온되고 그리고/또는 전류가 배터리 셀 및 충전기 회로의 유도성 성분에 의해 제한될 때이다. 이 기간 동안, 배터리 셀 내의 용량성 구역들은 부분적으로 충전될 수 있다. t2와 t3' 사이의 기간은, 용량성 구역들이 실질적으로 충분히 충전될 때를 나타낸다. 그런 기간은 도 4에 도시된 t2와 t3 사이의 기간보다 짧거나 동일할 수 있다. 이것은, 용량성 구역들이 본 개시내용에 따른 충전 프로세스 동안 충전 펄스들을 사용하여 완전히 또는 부분적으로 충전될 수 있는 것을 의미한다. 위에서 주목된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 시간의 함수로서 충전 전류(I)의 제1 도함수 또는 제2 도함수는, 배터리 셀(100) 내의 용량성 구역들(예컨대, 도 3의 302)이 실질적으로 완전히 충전되었는지를 결정하기 위해 계산될 수 있다. 도 7에 도시된 충전 전류 프로파일에 관하여, 우리가 시간 t1으로부터 시간 t3'로 접근함에 따라, 프로파일의 제1 도함수는 0으로 접근할 것이고; 마찬가지로 제2 도함수는 또한 0으로 접근할 것이다.
시간 t3'에서, 충전 펄스는 턴 오프된다. t3'와 t5 사이의 기간은 충전 스위칭 메커니즘의 전도(온) 상태 및 비-전도(오프) 상태로부터 전이 동안 충전 전류(I)의 점진적 감소를 나타낸다.
t5와 t6 사이의 기간은 이전 충전 펄스의 종료와 다음 충전 펄스의 시작 사이의 일시중지를 나타낸다. 본 개시내용의 충전 프로세스에서, 이런 기간은 소산 메커니즘들을 통해 배터리 셀의 용량성 구역들로부터 화학적 형태로 에너지를 전달하기에 충분하다. 이런 기간은 위에 설명된 소산 시간들(dt1, dt2)보다 더 짧거나, 동일하거나, 더 길 수 있다. 충전 펄스는, 다음 펄스때까지 일시중지 시간을 포함한다.
도 8은 본 개시내용에 따른 충전 펄스의 다양한 파라미터들을 예시한다. 충전 펄스는 온 시간(DON) 및 오프 시간(DOFF)을 가질 수 있다. 총 시간(펄스 기간)(TCHC)은 DON + DOFF와 동일하다. 온 시간(DON)은 위에 설명된 바와 같이, 시간의 함수로서 표현된 충전 전류의 도함수(예컨대, 제1 또는 제2 도함수)에 기반할 수 있다.
오프 시간(DOFF)은 또한 시간의 함수로서 표현된 충전 전류에 기반할 수 있다. 위에 설명된 바와 같이, 충전 펄스의 오프 시간은 배터리 셀 내의 전기화학 반응들을 유도하기 위해 배터리 셀의 용량성 구역들에 저장된 에너지가 소산하게 한다. 오프 시간이 너무 짧으면, 용량성 구역들에 저장된 에너지는 완전히 소산시키기에 충분한 시간을 가질 수 없고; 즉, 용량성 구역들은 완전히 방전되지 않을 수 있다. 본 발명자들은, 오프 시간이 너무 짧을 때, 이것 자체가 다음 충전 펄스 동안 충전 전류 프로파일의 변화를 나타낼 수 있다는 것을 관찰하였다. 도 8a를 참조하여, 예컨대, 충전 전류 프로파일의 피크는, 이전 충전 펄스의 오프 시간이 너무 짧으면 가변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 충전 펄스에 대한 충전 전류 프로파일의 피크가 모니터링될 수 있다. 피크의 변화가 검출되면, 다음 충전 펄스의 오프 시간이 조정(예컨대, 증가)될 수 있다. 예컨대, 피크의 최대 값이 모니터링될 수 있다. 피크의 "평탄도"는 예컨대 피크의 하나 이상의 기울기들을 측정하는 것 등에 의해 모니터링될 수 있다.
일부 실시예들에서, DON은 50 μS 미만일 수 있다. 이것은, 배터리 셀 내의 용량성 구역들이 실질적으로 완전히 충전되기에 충분한 시간일 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 펄스는 동일한 값들의 DON 및 DOFF를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, DON 및 DOFF는 가변할 수 있지만, 이들의 합(DON + DOFF)은 일정하게 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 합(DON + DOFF)은 0.5 μS - 100 μS 범위 내일 수 있다.
일부 실시예들에서, 펄스 기간(TCHC)은 가변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 기간(TCHC)은 가변할 수 있지만, 펄스의 듀티 사이클(DON/(DON + DOFF))은 일정하게 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 기간(TCHC)은 가변할 수 있고 펄스의 듀티 사이클(DON/(DON + DOFF))은 가변할 수 있다.
펄스 기간(TCHC)은 최대 기간과 최소 기간 사이에서 가변할 수 있다. 펄스 기간(TCHC)은 0.1 Hz 내지 100 Hz의 주파수(주파수 변조)에서 최대 기간과 최소 시간 사이에서 가변할 수 있다. 펄스 기간(TCHC)은 파형에 따라 최대 기간과 최소 기간 사이에서 가변할 수 있다. 다른 말로, 펄스의 주파수는 파형에 따라 변조(예컨대, 주파수 변조)될 수 있다.
일부 실시예들에서, 배터리 셀을 통해 흐르는 충전 전류의 크기는 하나의 펄스로부터 다음 펄스까지 일정할 수 있다.
배터리 셀이 상당한 유도성 성분을 가지는 일부 경우들에서, 본 발명자들은, t2 내지 t3'의 기간이 완전히 생략될 수 있는 것을 제안한다. 그런 배터리 셀의 예는 소위 젤리 롤(jelly roll) 18650 패키지 셀일 수 있다. 도 9는 그런 배터리 셀에 적용된 본 개시내용에 따른 충전 펄스 동안 충전 전류를 묘사한다.
위의 설명은, 특정 실시예들의 양상들이 어떻게 구현될 수 있는지의 예들과 함께 본 개시내용의 다양한 실시예들을 예시한다. 위의 설명들은 유일한 실시예들인 것으로 간주되지 않아야 하고, 뒤따르는 청구항들에 의해 정의된 특정 실시예들의 유연성 및 장점들을 예시하기 위해 제시된다. 위의 개시내용 및 뒤따르는 청구항들에 기반하여, 다른 배열체들, 실시예들, 구현들 및 등가물들은 청구항들에 의해 정의된 본 개시내용의 범위에서 벗어나지 않고 이용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 스위칭 회로를 통해 전력 소스와 동작가능하게 결합된 배터리 셀을 충전하기 위한 방법으로서,
    상기 전력 소스로부터 상기 배터리 셀 내의 복수의 용량성 구역(capacitive region)으로 에너지를 전달하기 위해 상기 전력 소스가 상기 배터리 셀로 연결되는 제1 스위치 위치에서 상기 스위칭 회로가 동작하도록 제어하는 단계 - 상기 전력 소스의 상기 배터리 셀로의 연결은 상기 배터리 셀을 통한 충전 전류가 흐르게 함 -;
    상기 배터리 셀을 통한 상기 충전 전류의 변화의 속도가 0으로 접근한다는 결정이 내려질 때까지 상기 제1 스위치 위치를 제1 지속 시간 동안 유지하는 단계 - 상기 충전 전류의 변화의 속도가 0으로 접근한다는 것은 상기 복수의 용량성 구역이 완전히 충전되는 것을 나타냄 -;
    상기 배터리 셀을 통한 상기 충전 전류의 변화의 속도가 0으로 접근한다는 결정에 응답하여, 상기 전력 소스가 제2 지속 시간 동안 상기 배터리 셀로부터 분리되어 상기 배터리 셀 내의 이온 전하의 이동 및/또는 확산에 의해 상기 배터리 셀의 상기 복수의 용량성 구역에 저장된 전하가 전달되게 하는 제2 스위치 위치에서 상기 스위칭 회로가 동작하도록 제어하는 단계; 및
    상기 배터리 셀을 충전하기 위해 상기 스위칭 회로가 상기 제1 스위치 위치와 상기 제2 스위치 위치 사이에서 교번하도록(alternate) 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀의 상기 복수의 용량성 구역에 저장된 전하의 전달은 상기 배터리 셀의 적어도 전해질 혼합물과 전해질에 침지된 전극들로의 상기 이온 전하의 이동 및/또는 확산을 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 용량성 구역이 완전히 충전되었다고 결정하기 위해 상기 배터리 셀을 통한 상기 충전 전류의 변화의 속도를 판정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀은 전해질에 침지된 상기 배터리 셀의 음의 전극을 더 포함하는 전해질 혼합물을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀은 전해질에 침지된 상기 배터리 셀의 양의 전극을 더 포함하는 전해질 혼합물을 포함하는 방법.
  6. 배터리 충전 회로로서,
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩에의 연결을 위한 출력 포트;
    전력 소스;
    스위칭 회로 - 상기 스위칭 회로는 상기 배터리 팩에 전기 전류를 제공하기 위해 상기 전력 소스가 상기 출력 포트에 연결되는 제1 스위치 위치를 갖고, 상기 전력 소스가 상기 출력 포트로부터 분리되는 제2 스위치 위치를 갖도록 제어가능함 -; 및
    제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 전력 소스로부터 상기 배터리 셀 내의 복수의 용량성 구역으로 에너지를 전달하기 위해 상기 스위칭 회로를 상기 제1 스위치 위치로 제어하고;
    상기 배터리 셀을 통한 충전 전류의 변화의 속도가 0으로 접근한다는 결정이 내려질 때까지 상기 제1 스위치 위치를 제1 지속 시간 동안 유지하고 - 상기 충전 전류의 변화의 속도가 0으로 접근한다는 것은 상기 복수의 용량성 구역이 완전히 충전되는 것을 나타냄 -;
    상기 배터리 셀을 통한 상기 충전 전류의 변화의 속도가 0으로 접근한다는 결정에 응답하여, 상기 배터리 셀의 상기 복수의 용량성 구역에 저장된 전하가 적어도 상기 배터리 셀의 전해질 혼합물 내로 전달할 수 있도록 상기 스위칭 회로를 제2 지속 시간 동안 상기 제2 스위치 위치로 제어하고;
    상기 배터리 셀을 충전하기 위해 상기 스위칭 회로가 상기 제1 스위치 위치와 상기 제2 스위치 위치 사이에서 교번하도록 제어하도록 구성되는 배터리 충전 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어기는 상기 배터리 셀에 대한 측정들을 하도록 구성되고, 상기 측정들은 적어도 상기 배터리 셀을 통한 상기 충전 전류의 변화의 속도의 측정을 포함하는 배터리 충전 회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 배터리 셀의 음의 전극 및 양의 전극은 상기 전해질 혼합물에 침지되고, 상기 배터리 셀의 상기 복수의 용량성 구역에 저장된 상기 전하는 상기 음의 전극 및 양의 전극으로 더 전달되는 배터리 충전 회로.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 지속 시간은 50 μS 이하인 배터리 충전 회로.
  10. 제6항에 있어서, 상기 제어기는 0.1 Hz와 100 Hz 사이에서 변하는 주파수에서 상기 제1 스위치 위치와 상기 제2 스위치 위치 사이에서 교번하도록 상기 스위칭 회로를 제어하도록 구성되는 배터리 충전 회로.
  11. 제6항에 있어서, 상기 제어기는 룩업 테이블에 저장된 배터리 특성 데이터를 사용하여 상기 스위칭 회로를 제어하도록 구성되는 배터리 충전 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 룩업 테이블에 저장된 상기 배터리 특성 데이터는 다양한 동작 조건들 하에서 상기 배터리 팩에 대응하는 적어도 충전 시간 데이터를 포함하는 배터리 충전 회로.
  13. 전하를 배터리 팩에 제공하기 위한 방법으로서,
    상기 배터리 팩을 통한 전기 전류의 펄스를 제공하기 위해 전기 전류의 소스를 상기 배터리 팩에 연결하는 단계;
    상기 배터리 팩을 통한 상기 전기 전류의 변화의 속도를 검출하는 단계;
    상기 배터리 팩을 통한 상기 전기 전류의 변화의 속도가 0으로 접근하고 있다고 결정하는 단계;
    상기 배터리 팩을 통한 상기 전기 전류의 변화의 속도가 0으로 접근하고 있다는 결정에 응답하여, 상기 배터리 팩으로부터 상기 전기 전류의 소스를 특정 지속 시간(DOFF) 동안 분리시키는 단계;
    상기 배터리 팩을 충전하기 위해 상기 연결하는 단계, 검출하는 단계, 결정하는 단계 및 분리시키는 단계의 사이클을 반복하는 단계
    를 포함하는 방법.
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