KR102626563B1 - 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와; 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 단계와; 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법이 제공된다.

Description

배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치{Method for charging battery and apparatus for charging battery}
본 발명은 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 배터리의 노화를 방지할 수 있는 주파수 범위를 갖는 펄스 형태의 고전류로 배터리를 충전함으로써 고속으로 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치에 관한 것이다.
지구온난화 문제가 매우 심각하게 부각되면서, 그 어느때 보다 친환경 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 친환경 에너지를 활용하는 과정에서, 가장 중요한 요소 중 하나는 발전된 에너지를 보관하는 에너지 저장장치이다. 잘 알려져 있듯이 현재에는 리튬이온 기반의 배터리가 널리 쓰이고 있다. 이런 친환경에너지 트렌드와 함께 진행되고 있는 전기 자동차의 개발과 확산은 리튬이온 배터리 등의 2차 전지가 더욱 널리 사용되는 데 크게 기여하고 있다. 다만, 전기 자동차의 경우 충전을 빠르게 진행해야만 편리하게 차량을 사용할 수 있는 경우가 많아 이러한 고속충전 요구가 매우 높다.
일반적으로, 배터리는 정격 전류 이상으로 충전할 경우(통상적으로 1C-Rate 이상) 배터리의 충방전 성능이 나빠지고, 배터리의 노화가 빠르게 진행되며, 내부 저항을 증가로 인해 배터리에 저장 가능한 전기에너지의 양이 줄어들게 된다. 이러한 급속한 노화 현상으로 인해 배터리의 고속 충전은 대부분 특정한 경우를 제외하고는 비교적 엄격하게 제한되고 있다. 배터리의 노화 현상에 대한 많은 연구를 통하여, 충전 속도를 향상시키는 방법은 제시되고 있으나, 그 이론적 배경이 많이 부족한 상황이어서, 추가적인 초고속 충전 알고리즘의 효과적인 개선이 필요하다.
배터리의 노화를 최소화하면서 고속 충전을 진행하기 위하여는 배터리 내부에서 일어나는 현상 등에 대해 신중히 고려하여야 한다. 충전 속도를 높이기 위하여 전류의 양을 많이 공급할 때, 즉 C-Rate를 높이게 되면, 음극 쪽에서의 리튬이온 과농도로 인하여 리튬 플레이팅(Lithium Plating) 현상이 증가하여 충전의 비효율이 증가하게 된다. 또한, 충전 속도를 높이기 위해 가해지는 높은 전류는 음극 계면에서의 Solid Electrolyte Interphase(SEI)가 과성장되어, 배터리의 온도 상승을 초래하고, 결과적으로 배터리 열화를 포함하여 배터리의 노화를 촉진하게 된다. 다시 말하면, 단순히 충전 전류를 높이는 것은 고속 충전은 가능하게 하나, 배터리의 수명을 매우 심각하게 훼손할 우려가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0010029호 (2012.02.02 공개)
본 발명은 배터리의 노화를 방지할 수 있는 주파수 범위를 갖는 펄스 형태의 고전류로 배터리를 충전함으로써 고속으로 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와; 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 단계와; 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법이 제공된다.
상기 배터리는, 리튬 이온 전지일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류는, 1C(C-rate) 이상일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류의 펄스는, 상기 충전 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형일 수 있다.
상기 배터리 충전 방법은, 상기 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계 이전에, 정전류를 상기 배터리에 인가하여 정전류 충전을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리를 충전하는 단계는, 상기 배터리 셀의 충전전압이 상기 배터리 셀의 기 설정된 최대충전전압 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 충전할 수 있다.
상기 주파수별 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수별 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 교류 전류의 확산 저항 주파수를 설정하는 단계는, 상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정할 수 있다.
상기 화학적 확산의 시작점은, 상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터를 구비한 충전 장치 본체와; 상기 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가하는 교류 전원부와, 상기 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 충전 주파수 설정부를 포함하는 배터리 상태정보 측정부와; 상기 충전 장치 본체에 구비되며, 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 펄스 충전부를 포함할 수 있다.
상기 배터리는, 리튬 이온 전지일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류는, 1C(C-rate) 이상일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류의 펄스는, 상기 교류 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형일 수 있다.
상기 펄스 충전부는, 상기 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하기 이전에 정전류를 상기 배터리에 인가하여 정전류 충전을 수행할 수 있다.
상기 펄스 충전부는, 상기 배터리 셀의 충전전압이 상기 배터리 셀의 기 설정된 최대충전전압이 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 충전할 수 있다.
상기 임피던스 측정부는, 상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출할 수 있다.
상기 임피던스 측정부는, 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하고, 상기 충전 주파수 설정부는, 상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정할 수 있다.
상기 화학적 확산의 시작점은, 상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리의 노화를 방지할 수 있는 주파수 범위를 갖는 펄스 형태의 고전류로 배터리를 충전함으로써 고속으로 배터리를 충전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 순서도.
도 2는 충전 전류 인가에 따른 배터리 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면.
도 3은 전형적인 배터리의 내부 임피던스의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)
도 4는 배터리에 대한 EIS 분석을 통해 도시한 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태의 변형예.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 블록 다이아그램.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 구비한 전기 자동차 충전 시스템의 구성도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템을 구비한 전기 자동차 충전 시스템을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부한 도면을 참조하여 설명함에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 순서도이다. 그리고, 도 2는 고전류 충전에 따른 배터리 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 3은 전형적인 배터리의 내부 임피던스의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이고, 도 4는 여러 배터리에 대한 EIS 분석을 통해 도시한 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태의 변형예이다.
도 1 내지 도 5에는, 배터리(10), 음극재(12), 분리막(14), 양극재(16), 양이온(18), SEI(20)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 배터리 충전 방법은, 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와; 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 산출하는 단계와; 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전하는 단계를 포함한다.
충전과 방전이 가능한 배터리(10), 즉 2차 전지는 화학적(chemical) 에너지를 전기적(electrical) 에너지로 변환시켜 방출(＝방전)할 수 있으며, 역으로 방전된 상태에서 전기 에너지를 공급(＝충전(充電))하면 이를 화학 에너지의 형태로 다시 저장할 수 있는 전지 즉, 충전과 방전을 교대로 반복할 수 있는 전지를 말한다. 본 실시예에 따른 배터리(10)는 납축전지, 니켈 카드늄 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 등과 같은 전자의 충전이 가능한 2차 전지를 포함한다.
이 중 리튬 이온 전지는 메모리 현상이 없고 전지의 출력도 좋아 최근 많은 연구 개발이 이루어지고 있는데, 이하에서는 리튬 이온 전지를 중심으로 배터리 충전 방법을 자세히 설명하기로 한다.
리튬 이온 전지의 충전 방식으로 정전류/정전압(CC/CV, Constant Current/Constant Voltage) 충전 방식이 많이 상용화되고 있으나, 본 실시예에서는 배터리(10)의 노화를 최소화하면서 고속 충전이 가능한 전류를 펄스 형태로 인가하는 펄스 충전 방식을 제안하고자 한다.
도 2는 충전 전류 인가에 따른 배터리(10) 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면이다.
배터리(10)는 양극재(16), 음극재(12), 분리막(14), 전해질 등으로 구성되는데, 양극재(16)에서 양이온을 공급하며 음극재(12)에서 양이온을 받아들이거나 배출하면서 전기의 충방전이 일어난다. 리튬 이온 전지의 경우 양극재(16)로 리튬 산화물이 쓰이고 음극재(12)로 흑연이 주로 사용되고 있는데, 양이온인 리튬 이온이 분리막(14)을 통과하여 음극재(12)와 양극재(16) 사이를 오가면서 전기의 충방전이 일어난다.
도 2는, 충전 전류 인가에 따른 배터리(10) 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면인데, 도 2의 (a)는 고전류의 충전 전류를 인가한 상태를 도시하고 있으며, 도 2의 (b)와 (c)는 적정 전류를 인가하고 해제한 상태를 도시하고 있다.
배터리(10)의 충전 속도를 높이기 위해 배터리(10)에 높은 전류(high current, 예를 들면 1 C-rate 이상)의 충전 전류를 인가하면, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 음극재(12) 계면에서의 고체 전해질 경계면(Solid Electrolyte Interphase, 이하 'SEI(20)'라 함)에 양이온(18)과 전해질이 변화된 잔류물 등이 두텁게 덮어가면서 내부저항이 증가하고, 이 상황에서 높은 전류를 지속적으로 인가하면 두터운 층의 온도가 올라가면서 SEI(20)를 더욱 성장하게 만들어 결과적으로 내부저항을 더욱 빠르게 증가시키면서 배터리(10)의 노화를 가속시키게 된다.
반면, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 적정한 정도의 충전 전류(예를 들면 1 C-rate 이하)를 배터리(10)에 인가하면, SEI(20)를 덮으며 쌓여가는 양이온(18)들이 적절히 SEI(20)를 통과하면서 배터리(10)의 음극재(12) 내부로 스며들어가면서 충전이 이루어지는데, SEI(20)를 통과하는 양이온(18)이 밸런스를 이루면서 음극재(12) 내부로 충전하게 되어 SEI(20)의 성장을 가속하지 않게 된다. 다만 이 경우 충전 속도가 다소 느리게 진행된다. 또한, 이 상태에서 충전 전류의 공급을 끊게 되면, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, SEI(20) 주변에 모여 있던 양이온(18)이 SEI(20)의 성장이 없는 상태에서 SEI(20) 사이를 천천히 스며들어가면서 충전되어 양이온(18)이 음극재(12) 내부로 안정적으로 이동하게 된다.
위의 도 2의 (b) 및 (c)는, 충전 전류의 인가와 해제에 따른 배터리(10) 내부의 양이온(18)의 충전 상태를 나타낸 것으로, 도 2의 (c)에 따르면 충전 전류가 끊긴 상태에서도 양이온(18)이 음극재(12) 사이로 충전되고 있음을 알 수 있다. 즉, 이러한 충전 과정은 전류의 인가를 단속(斷續)하는 펄스 형태의 충전에 의해 배터리(10)에 고속 충전이 가능하다는 것을 의미한다.
다만, 충전 전류의 인가와 해제의 단속(斷續) 시간, 주파수의 결정이 중요한데 본 발명에서는 이러한 펄스 충전 시의 주파수의 결정 방법을 제시하고자 한다.
이하 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법에 대해서 자세히 설명한다.
먼저, 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정한다(S100).
배터리(10)의 내부 저항 즉 임피던스를 측정하고 그에 따라 배터리(10)의 노화 정도를 측정하게 되는데, 높은 주파수에서 낮은 주파수로 교류 전류를 순차적으로 배터리(10)에 인가하여 각 주파수에 따른 응답의 진폭과 위상 변화를 측정하여 인가된 교류 전류의 주파수별 임피던스를 측정할 수 있다. 임피던스의 측정은 임피던스 측정 장치(LCR 미터)를 통해 측정할 수 있다.
임피던스의 측정 과정에서 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출한다. 주파수별 임피던스의 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스는 후술할 나이퀴스트 선도 (Nyquist plot)로 불리는 임피던스 복소 평면에 표시되며, 표시된 점을 이어 하나의 그래프로 나타낼 수 있다.
본 과정은 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 이하 'EIS'라 함)에 따라 수행될 수 있다.
다음에, 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정한다(S200).
측정된 주파수별 임피던스에 대한 분석을 수행하면 배터리(10)의 내부에 존재하는 두 개의 전극과 전해질 사이에서 일어나는 전기화학반응을 등가 전기 회로의 형태로 모형화하여 해석할 수 있는데, 나이퀴스트 선도로부터 이를 해석할 수 있다.
나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)는 임피던스의 복소량을 가로축에 실수부분, 세로축에 허수부분으로 잡아 도시한 그림으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 실수부분(Zreal)이 저항은 나타내고 허수부분(Zimag)이 캐패시턴스와 인덕턴스를 나타내는데, Zreal, Zimag의 관계가 주파수에 따라 도시된다.
도 3에는 전형적인 2차 전지에 대해 EIS 분석을 통해 얻어진 주파수별 임피던스의 나이퀴스트 선도가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 전형적인 2차 전지는 외부의 전해질 저항 Rbulk, 내부 전극 입자 표면에 생성되는 SEI에서의 전하전달에 해당하는 필름 저항 Rfilm, 전극 물질 계면에서의 양이온 산화환원반응을 나타내는 전하전달 저항 Rct, 입자 결정 구조 내부로의 층간 삽입에 의한 화학적 확산 저항 Rdiff의 4가지의 저항 성분으로 등가 회로로 구성할 수 있다.
Rbulk, Rfilm, Rct는 전해질을 통한 이온의 이동에 대한 저항 성분을 주로 나타내고, 그 이후의 Rdiff는 이온들의 확산 속도에 관계된 것으로서, 이 부분에서 대략 45° 기울기로 -Zimag값이 증가하는데 이는 와버그 임피던스(Warburg Impedance)에 기인한 것이다.
이온들의 확산 속도는 상대적으로 느리므로 높은 주파수에서는 영향이 미미하고 낮은 주파수에서 그 특성이 나타나게 되는데, 본 실시예에서는 와버그 임피던스가 발생하기 시작하는 화학적 확산 시작점의 인가된 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 정의하고, 펄스 충전 시 확산 저장 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 인가함으로써 충전 과정에서의 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지하고자 한다.
도 4는 실제 배터리(10)에 대해 EIS 분석을 수행하여 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)를 도시한 것인데, 도 4에 도시된 화학적 확산 시작점의 인가된 교류 전압의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정할 수 있다. 화학적 확산 시작점은 나이퀴스트 선도에서 대략 45° 기울기로 -Zimag값이 증가하는 시점으로 설정할 수 있다.
다음에, 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전한다(S300).
상술한 바와 같이, 배터리(10) 충전 과정에서 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지하기 위해 이온의 확산이 발생하지 않는 확산 저항 주파수보다 높은 주파수를 펄스 충전 전류의 충전 주파수로 설정하고, 설정된 충전 주파수에 따라 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전한다.
확산 저항 주파수는 충전 주파수의 한계 주파수를 의미하며, 충전 주파수는 한계 주파수인 확산 저항 주파수 보다 큰 주파수 중 배터리(10) 충전 시간을 고려하여 결정될 수 있다.
도 5에는 본 실시예에 따른 배터리(10)의 펄스 충전 전류가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 펄스 충전 전류의 펄스는 충전 전류를 일정 시간 인가한 후 일정 시간 충전 전류를 끊는 직사각형 펄스 파형으로 펄스 충전 전류를 인가하여 충전을 진행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 충전 전류가 끊긴 상태에서는 배터리(10) 내부 SEI(20) 주변에 모여 있던 양이온(18)이 SEI(20)의 성장이 없는 상태에서 SEI(20) 사이를 천천히 스며들어가면서 충전되어 양이온(18)이 음극재(12) 내부로 안정적으로 이동하게 된다.
상술한 바와 같이 확산 저항 주파수 보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전을 진행하기 때문에 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 최소화할 수 있고 이에 따라 높은 고전류의 펄스 충전이 가능하다. 즉, 배터리(10)의 노화를 최소화하면서 1C(C-rate) 이상의 고전류로 배터리(10) 충전을 수행할 수 있다.
C-rate(Current rate)는 배터리(10) 용량에 대하여 충방전하는 전류의 비율을 의미하는데, C-rate가 클수록 동일한 용량의 배터리(10)를 고전류로 충전할 수 있음을 의미한다. 본 발명에 따르면 1C 이상의 고전류에 의한 펄스 충전이 가능하므로 배터리(10)의 고속 충전이 가능하다. 예컨대, 충전 전류 인가 시 6C, 휴지기에 0C로 펄스 충전을 진행할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하기 이전에 정전류를 배터리(10)에 인가하여 정전류 충전을 수행할 수 있다. 배터리(10)의 전압이 매우 낮은 구간에서는 낮은 전압에 의한 정전류 제어를 통해 정전류 충전을 진행할 수 있는데, 낮은 전압으로 정전류 충전이 지속되다가 배터리(10) 전압이 미리 설정된 전압 값(예를 들면 배터리 셀의 최대충전전압) 이상이 될 경우 펄스 충전으로 전환할 수 있다.
도 6에는 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태의 변형예가 도시되어 있다.
본 변형예는 충전 초기 정전류 충전을 진행하지 않고, 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 인가하는 방법이다.
배터리에 펄스 충전 전류를 인가하면 배터리의 각 셀에 충전전압을 형성되는데, 본 변형예는, 도 6에 도시된 바와 같이, 초기에 고전류의 펄스 충전이 진행되는 동안 배터리 셀이 최대충전전압에 도달하면, 배터리 셀의 최대충전전압 이하로 유지되도록 펄스 충전 전압을 단계적으로 낮추거나 높여 배터리에 펄스 충전 전류를 인가하는 방식이다.
예컨데, 충전 초기에 6C 정도의 고전류의 펄스 충전을 진행하면 서서히 충전전압이 높이지면서 배터리 셀의 최대충전전압에 도달하게 된다. 이후 배터리 셀의 최대충전전압 이하로 유지되도록 5C 정도로 펄스 충전 전류를 낮추어 인가하다가 배터리의 충전 상태에 따라 단계적으로 낮추거나 높여 배터리에 펄스 충전을 인가할 수 있다.
배터리에 대한 충전 진행 중 지속적으로 배터리 셀의 충전전압을 추적하여 최대충전전압 이하로 유지되도록 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 배터리를 충전함으로써 배터리의 열 발생을 최소화할 수 있다.
배터리 셀의 최대충전전압은 배터리의 과충전을 방지하기 위한 것으로서, 리튬 이온 전기의 경우 4.2V 또는 4.3V가 최대충전전압으로 제시되고 있으나 배터리의 종류, 배터리 제조업체에 따라 최대충전전압을 다르게 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)의 블록 다이아그램이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)를 구비한 전기 자동차 충전 시스템의 구성도이다.
도 7 및 도 8에는, 충전 장치(22), 충전 커넥터(24), 충전 장치 본체(26), 배터리 상태정보 측정부(28), 교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34), 펄스 충전부(36), 전기 자동차(38)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)는, 배터리(10)의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터(24)를 구비한 충전 장치 본체(26)와; 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가하는 교류 전원부(30)와, 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부(32)와, 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 충전 주파수 설정부(34)를 포함하는 배터리 상태정보 측정부(28)와; 충전 장치 본체(26)에 구비되며, 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전하는 펄스 충전부(36)를 포함한다.
본 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)는, 충전과 방전이 가능한 배터리(10), 즉 2차 전지를 충전을 하기 위한 장치로서, 전기 자동차(38) 및 스마트폰 등 각종 전자장치에 내장된 배터리를 충전을 할 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리(10)는 납축전지, 니켈 카드늄 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 등과 같은 전자의 충전이 가능한 2차 전지를 포함한다. 이 중 리튬 이온 전지는 메모리 현상이 없고 전지의 출력도 좋아 최근 많은 연구 개발이 이루어지고 있는데, 이하에서는 리튬 이온 배터리(10)를 중심으로 배터리 충전 방법을 자세히 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8에는 전기 자동차(38)에 내장된 배터리(10)를 충전하기 위한 충전 시스템의 도시되어 있는데, 전기 자동차 충전 시스템에 본 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)가 설치되어 전기 자동차(38)에 내장된 배터리(10)를 충전할 수 있다.
충전 장치 본체(26)는, 배터리(10)의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터(24)를 구비한다. 충전 장치 본체(26)는, 전기 자동차(38)나 스마트폰의 배터리(10)에게 충전 커넥터(24)를 통해 전원을 공급하기 본체로서 충전 상태를 나타내기 위한 디스플레이, 충전 장치(22)를 조작하기 위한 제어판 등이 설치될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템의 경우, 전기 자동차(38)의 차량 번호를 인식할 수 차량 번호 인식기, 무인 요금 정산 시스템 등이 설치되어 충전하는 전기 자동차(38)의 사용자에게 과금할 수 있다.
충전 커넥터(24)는, 배터리(10)의 단자에 전기적으로 연결되어 배터리(10)에 충전 장치 본체(26)로부터 충전 전류를 공급한다. 충전 커넥터(24)는 전기 자동차의 충전을 위해서는 충전 케이블을 통해 연장되어 전기 자동차(38)의 배터리에 연결될 수 있으며, 스마트폰 등과 같이 전자기기의 경우 단자 형태로 배터리의 단자와 연결될 수 있다.
배터리 상태정보 측정부(28)는, 배터리의 상태에 따라 해당 배터리(10)에 맞는 확산 저항 주파수를 설정하기 위한 것으로서, 교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34)를 포함하여 해당 배터리(10)의 확산 저항 주파수를 설정한다.
배터리 상태정보 측정부(28)는 본 실시예와 같이 충전 장치(22) 내부에 내장되어 있거나 충전 장치(22)와 별도로 구성되어 배터리(10)에 대한 확산 저항 주파수를 설정할 수 있다.
배터리 상태정보 측정부(28)에서 취득되는 배터리의 확산 저항 주파수는 충전하고자 하는 배터리와 동일한 기종의 배터리에 대한 확산 저항 주파수일 수 있는데, 동일 기종의 배터리는 유사한 배터리 상태를 나타내기 때문에 배터리 상태정보 측정부(28)를 통해 동일한 기종에 대한 배터리(10)에 대해 미리 해당 배터리 기종의 확산 저항 주파수를 취득해 둘 수 있다.
교류 전원부(30)는, 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가한다. 서로 다른 주파수의 교류 전류를 배터리(10)에 순차적으로 인가하여 각 주파수에 따른 응답의 진폭과 위상 변화를 측정하고 인가된 교류 전류의 주파수별 임피던스를 측정하는데, 교류 전원부(30)는 배터리(10)에 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가한다.
임피던스 측정부(32)는, 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정한다. 임피던스의 측정은 임피던스 측정 장치(LCR 미터)를 통해 측정할 수 있으며, 임피던스의 측정 과정에서 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출할 수 있다.
주파수별 임피던스의 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스는 후술할 나이퀴스트 선도 (Nyquist plot)로 불리는 임피던스 복소 평면에 표시될 수 있으며, 표시된 점을 이어 하나의 그래프로 나타낼 수 있다. 이때, 임피던스 측정부(32)는 전기화학 임피던스 분광법에 따라 임피던스를 산출할 수 있다.
충전 주파수 설정부(34)는, 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정한다.
측정된 주파수별 임피던스에 대한 분석을 수행하면 배터리(10) 전지의 내부에 존재하는 두 개의 전극과 전해질 사이에서 일어나는 전기화학반응을 등가 전기 회로의 형태로 모형화하여 해석할 수 있는데, 나이퀴스트 선도로부터 이를 해석할 수 있다.
전해질 내의 이온들의 확산 속도는 상대적으로 느리므로 높은 주파수에서는 영향이 미미하고 낮은 주파수에서 그 특성이 나타나게 되는데, 본 발명에서는 와버그 임피던스가 발생하기 시작하는 화학적 확산의 시작점의 인가된 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 정의하고, 펄스 충전 시 확산 저장 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 인가함으로써 충전 과정에서의 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지할 수 있다.
상술한 교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34)는 충전 장치 본체(26) 내부에 내장되어 있거나, 충전 장치 본체(26) 외부의 별도 장치로 구성되어, 배터리(10)에 대해 전기화학 임피던스 분광법에 따라 임피던스를 측정하고 측정된 주파수별 임피던스로부터 확산 저항 주파수를 설정할 수 있다.
교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34)가 충전 장치 본체(26) 외부에 위치하는 경우 설정된 확산 저항 주파수를 무선 통신부(미도시)를 통해 충전 장치 본체(26)에 전달하거나 미리 충전 장치의 메모리에 저장될 수 있다.
펄스 충전부(36)는, 충전 장치 본체(26)에 구비되며, 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가한다.
충전 주파수 설정부(34)에서 배터리(10)에 대한 확산 저항 주파수가 설정되면, 펄스 충전부(36)는 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)에 대한 펄스 충전을 수행한다.
배터리(10) 충전 과정에서 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지하기 위해 이온의 확산이 발생하지 않는 확산 저항 주파수보다 높은 주파수를 펄스 충전 전류의 충전 주파수로 설정하고, 설정된 충전 주파수에 따라 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전한다.
확산 저항 주파수는 충전 주파수의 한계 주파수를 의미하며, 충전 주파수는 한계 주파수인 확산 저항 주파수 보다 큰 주파수 중 배터리(10) 충전 시간을 고려하여 결정될 수 있다.
펄스 충전 전류의 펄스는 충전 전류를 일정 시간 인가한 후 일정 시간을 충전 전류를 끊는 직사각형 펄스 파형으로 펄스 충전 전류를 인가하여 충전을 진행할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 확산 저항 주파수 보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전을 진행하기 때문에 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 최소화할 수 있고 이에 따라 높은 고전류의 펄스 충전이 가능하다. 즉, 배터리(10)의 노화를 최소화하면서 1C(C-rate) 이상의 고전류로 배터리(10) 충전을 수행할 수 있다. 본 발명에 따르면 1C 이상의 고전류에 의한 펄스 충전이 가능하므로 배터리(10)의 고속 충전이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
10: 배터리 12: 음극재
14: 분리막 16: 양극재
18: 양이온 20: SEI
22: 충전 장치 24: 충전 커넥터
26: 충전 장치 본체 28: 배터리 상태정보 측정부
30: 교류 전원부 32: 임피던스 측정부
34: 충전 주파수 설정부 36: 펄스 충전부
38: 전기 자동차

Claims (19)

  1. 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와;
    상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 단계와;
    상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하되,
    상기 펄스 충전 전류의 펄스는,
    상기 충전 전류를 일정 시간 인가한 후 일정 시간 충전 전류를 해제하여 상기 충전 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형이고,
    상기 배터리를 충전하는 단계는,
    충전 초기에 정전류 충전을 진행하지 않고, 상기 배터리의 셀의 충전전압이 상기 배터리의 셀의 기 설정된 최대충전전압에 도달할 때까지 상기 펄스 충전 전류를 2C(C-rate) 초과값의 고전류로 인가하고, 이후에는 상기 충전전압이 상기 최대충전전압 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 고속으로 충전하며,
    상기 배터리는, 리튬 이온 전지이고,
    상기 주파수별 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출하는 단계와,
    상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하는 단계를 포함하며,
    상기 교류 전류의 확산 저항 주파수를 설정하는 단계는,
    상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정하는 단계를 포함하고,
    상기 화학적 확산의 시작점은,
    상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 배터리의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터를 구비한 충전 장치 본체와;
    상기 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가하는 교류 전원부와, 상기 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 충전 주파수 설정부를 포함하는 배터리 상태정보 측정부와;
    상기 충전 장치 본체에 구비되며, 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 펄스 충전부를 포함하되,
    상기 펄스 충전 전류의 펄스는,
    상기 충전 전류를 일정 시간 인가한 후 일정 시간 충전 전류를 해제하여 상기 충전 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형이고,
    상기 펄스 충전부는,
    충전 초기에 정전류 충전을 진행하지 않고, 상기 배터리의 셀의 충전전압이 상기 배터리의 셀의 기 설정된 최대충전전압에 도달할 때까지 상기 펄스 충전 전류를 2C(C-rate) 초과값의 고전류로 인가하고, 이후에는 상기 충전전압이 상기 최대충전전압 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 고속으로 충전하며,
    상기 배터리는, 리튬 이온 전지이고,
    상기 임피던스 측정부는,
    상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance), 인덕턴스(inductance) L를 산출하고,
    상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하며,
    상기 충전 주파수 설정부는,
    상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정하고,
    상기 화학적 확산의 시작점은,
    상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
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