KR20130031858A

KR20130031858A - 배터리 충전 장치 및 배터리 충전 방법

Info

Publication number: KR20130031858A
Application number: KR1020127034274A
Authority: KR
Inventors: 하야토 나가쿠라
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2013-03-29
Also published as: JP5782803B2; EP2577843A4; JP2012016263A; CN105305549B; US9219377B2; EP2577843A1; KR101500826B1; CN105305549A; US20130069584A1; WO2011152062A1; EP2577843B1; CN102948036A; CN102948036B

Abstract

배터리 충전 장치가 미리 결정된 설정점으로 설정된 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나로 배터리를 충전하도록 구성되고, 배터리는 리튬 2차 전지를 포함한다. 배터리 충전 장치는 설정점에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값을 계산하고, 리튬은 리튬 2차 전지의 단자 전압이 리튬 석출 임계 전압값을 초과할 때 리튬 2차 전지 내에 석출되는 것으로 가정된다. 다음에, 배터리 충전 장치는 단자 전압을 계산된 리튬 석출 임계 전압값과 비교하고, 비교에 따라 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 제어한다.

Description

배터리 충전 장치 및 배터리 충전 방법 {BATTERY CHARGING APPARATUS AND BATTERY CHARGING METHOD}

본 발명은 배터리 충전 장치 및 배터리 충전 방법에 관한 것이다.

일본 특허 출원 공개 제2003-079059호는 서로 연결된 리튬-이온 전지와 같은 복수의 리튬 2차 전지로 구성된 조립된 배터리를 충전하기 위한 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서, 각각의 리튬 2차 전지의 전류 단자 전압은 특정 완전 충전 전압값과 비교된다. 리튬 2차 전지 중 적어도 하나의 단자 전압이 완전 충전 전압값에 도달될 때, 충전 전류는 점진적으로 감소되기 시작하여 완전 충전된 전지의 단자 전압이 완전 충전 전압값으로 유지되는 동안 다른 전지가 완전 충전 상태로 점진적으로 충전될 수 있게 된다.

전술된 방법에 따르면, 전지의 단자 전압이 완전 충전 전압값 미만일 때에도, 리튬의 석출(deposition)(즉, 네거티브 전극 플레이트 상의 리튬 수지상의 석출)이 충전 전류 또는 충전 전력의 크기에 따라 전지 내에서 발생할 수도 있다. 이는 배터리의 성능에 악영향을 미칠 수도 있다.

상기 내용에 비추어, 배터리의 전지 내의 리튬의 석출이 적합하게 방지될 수 있는 배터리 충전 장치 및 배터리 충전 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 리튬 2차 전지를 포함하는 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전 장치이며, 제1 설정점으로 설정된 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나로 리튬 2차 전지를 충전하도록 구성된 충전 섹션과, 리튬 2차 전지의 단자 전압의 측정된 값을 얻도록 구성된 전압 측정 섹션과, 제어 섹션을 포함하고, 제어 섹션은 제1 설정점에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값을 계산하고, 리튬은 단자 전압이 리튬 석출 임계 전압값을 초과할 때 리튬 2차 전지 내에 석출되는 것으로 가정되고, 단자 전압의 측정된 값을 계산된 리튬 석출 임계 전압값과 비교하고, 비교에 따라 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는 배터리 충전 장치가 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 미리 결정된 설정점으로 설정된 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나로 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전 방법으로, 배터리는 리튬 2차 전지를 포함하는 배터리 충전 방법이며, 설정점에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값을 계산하는 단계로서, 리튬은 리튬 2차 전지의 단자 전압이 리튬 석출 임계 전압값을 초과할 때 리튬 2차 전지 내에 석출되는 것으로 가정되는, 리튬 석출 임계 전압값을 계산하는 단계와, 단자 전압을 계산된 리튬 석출 임계 전압값과 비교하는 단계와, 비교에 따라 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 배터리 충전 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 구성을 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 실시예에 따른 배터리 시스템의 제어 시스템을 도시하는 다이어그램이다.
도 3은 충전 전류와 리튬 석출 임계 전압값 사이의 관계를 도시하는 그래픽 다이어그램이다.
도 4는 실시예에 따른 배터리를 충전하는 프로세스를 도시하는 플로우차트이다.
도 5는 실시예에 따른 배터리 충전 장치 및 배터리 충전 방법에 의해 각각의 전지가 어떻게 충전되는지의 예를 도시하는 타임차트이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 구성을 도시한다. 이 배터리 시스템은 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량으로서 구성된다. 배터리 시스템은 이와 같이 한정되는 것은 아니고, 다른 시스템에 적용될 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템은 조립된 배터리(1)를 포함한다. 조립된 배터리(1)는 직렬로 서로 접속되어 있는 복수의 전지(2)로 구성된다. 조립된 배터리(1)는 정션 박스(junction box)(3)를 통해 충전기(9) 및 차량 로드(load)(10)에 접속된다. 정션 박스(3)는 메인 릴레이(main relay)(4, 5)를 수납하고, 메인 릴레이(4)는 조립된 배터리(1)의 일 단부를 충전기(9) 및 차량 로드(10)로 이어지는 라인에 접속하고, 메인 릴레이(5)는 조립된 배터리(1)의 다른 단부를 충전기(9) 및 차량 로드(10)로 이어지는 다른 라인에 접속한다. 차량 로드(10)는 시동기 모터, 구동 모터 등을 포함한다. 정션 박스(3)는 전류 센서(6), 프리차지 릴레이(7, precharge relay) 및 저항(8) 뿐만 아니라 메인 릴레이(4, 5)를 구비한다. 전류 센서(6)는 조립된 배터리(1)가 충전되거나 방전되는 충방전 전류를 측정하도록 구성된다. 프리차지 릴레이(7) 및 저항(8)은 서로 직렬로 접속되고, 메인 릴레이(5)와 병렬로 접속된다. 전류 센서(6)는 측정된 충방전 전류에 대한 정보를 나타내는 신호를 마이크로컴퓨터(14)에 송신한다.

다른 한편으로는, 배터리 제어기(11)는 전지 제어기 IC(전지 제어기 집적 회로)(12), 총 전압 센서(13) 및 마이크로컴퓨터(14)로 구성된다. 전지 제어기 IC(12)는 각각의 전지(2)의 단자 전압을 측정하도록 구성되고, 각각의 전지(2)가 과충전 또는 과방전이 적용되는지 여부를 모니터링한다. 총 전압 센서(13)는 조립된 배터리(1)의 총 단자 전압을 측정하도록 구성된다. 마이크로컴퓨터(14)는 조립된 배터리(1)를 제어하기 위한 프로그램 및 데이터를 기억하기 위한 ROM(판독 전용 메모리)과, 계산 중에 데이터를 일시적으로 기억하기 위한 RAM(랜덤 액세스 메모리)을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 전지 제어기 IC(12)는 4개의 전지(2)의 단자 전압을 측정하고 4개의 전지(2)의 과충전 또는 과방전을 모니터링하기 위해 유닛으로서 4개의 전지(2)에 접속된다. 전지 제어기 IC(12)는 4개의 전지(2)에 대한 얻어진 정보를 나타내는 신호를 마이크로컴퓨터(14)에 송신한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 온도 센서(15)가 전지(2)의 온도를 측정하기 위해 제공된다. 각각의 온도 센서(15)는 측정된 온도에 대한 정보를 나타내는 신호를 마이크로컴퓨터(14)에 송신한다. 이 예에서, 각각의 온도 센서(15)는 4개의 전지(2)마다 제공된다. 이 구성은 각각의 온도 센서(15)가 2개의 전지(2)마다 제공되도록 수정될 수도 있다.

마이크로컴퓨터(14)는 전류 센서(6)에 의해 얻어진 조립된 배터리(1)의 충방전 전류(I), 전지 제어기 IC(12)에 의해 얻어진 각각의 전지(2)의 전지 전압(V_cell), 총 전압 센서(13)에 의해 얻어진 조립된 배터리(1)의 총 전압(V) 및 온도 센서(15)에 의해 얻어진 각각의 전지(2)의 전지 온도(T)에 대한 정보를 수신한다.

배터리 제어기(11)는 마이크로컴퓨터(14)가 충방전 전류(I), 전지 전압(V_cell), 총 전압(V) 및 전지 온도(T)에 기초하여 계산을 수행하고 계산에 기초하여 조립된 배터리(1)의 충전 동작을 제어하게 한다. 이하에는 도 2를 참조하여 조립된 배터리(1)의 충전 동작을 제어하는 배터리 충전 방법을 설명한다.

도 2는 시스템 제어기(100), 배터리 제어기(11) 및 충전기(9)의 구성에 초점을 맞춘 실시예에 따른 배터리 시스템의 제어 시스템을 도시하고, 다른 구성 요소들은 생략되어 있다. 이 제어 시스템에서, 시스템 제어기(100)는 배터리 제어기(11) 및 충전기(9)를 제어하기 위한 고레벨 제어기이다.

시스템 제어기(100)는 배터리 시스템이 장착되는 차량이 외부 충전기 등에 접속되는 조건에 응답하여, 조립된 배터리(1)를 충전하기 시작하도록 구성된다. 구체적으로, 시스템 제어기(100)는 충전 모드를 시작해야 하는지를 판정하고, 차량에 장착되고 충전 동작을 위해 사용되는 배터리 제어기(11) 및 몇몇 다른 제어기에 충전 모드 요구를 송신함으로써 정상 모드로부터 충전 모드로 차량 시스템을 시프트한다.

시스템 제어기(100)로부터의 충전 모드 요구의 수신시에, 배터리 제어기(11)는 마이크로컴퓨터(14)가 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었는지 여부를 판정하게 한다. 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되지 않았다는 판정에 응답하여, 마이크로컴퓨터(14)는 조립된 배터리(1)가 충전되는 충전 전력(P)을 계산한다. 충전 전력(P)을 계산하는 방법이 이하에 상세히 설명된다. 배터리 제어기(11)는 마이크로컴퓨터(14)에 의해 계산된 충전 전력(P)을 지시하는 신호 및 조립된 배터리(1)를 충전하는 것의 허가를 지시하는 충전 허가 신호를 시스템 제어기(100)에 송신한다.

배터리 제어기(11)로부터 충전 허가 신호 및 충전 전력(P)의 신호의 수신시에, 시스템 제어기(100)는 배터리 제어기(11)로부터의 충전 허가 신호 및 충전 전력(P)에 기초하여 충전 전력 명령 신호를 충전기(9)에 송신한다. 이 충전 전력 명령 신호에 응답하여, 충전기(9)는 마이크로컴퓨터(14)에 의해 계산된 충전 전력(P)으로 조립된 배터리(1)에 충전 전력을 공급하기 시작한다.

다른 한편으로는, 조립된 배터리(1)를 위한 충전 동작이 시작된 후에, 배터리 제어기(11)는 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었는지 여부를 마이크로컴퓨터(14)에 의해 반복적으로 판정한다. 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었다는 판정에 응답하여, 배터리 제어기(11)는 시스템 제어기(100)에 충전 정지 요구를 송신한다. 충전 정지 요구의 수신시에, 시스템 제어기(100)는 충전 정지 명령 신호를 충전기(9)로 송신하여 조립된 배터리(1)를 위한 충전기(9)의 충전 동작이 종료하게 된다.

이하에는 마이크로컴퓨터(14)가 어떻게 충전 전력(P)을 결정하는지를 설명한다.

도 3은 충전 전류와 리튬 석출 임계 전압값(V_dep) 사이의 관계를 도시하고, 리튬의 석출(네거티브 전극 플레이트 상의 리튬 수지상의 석출)은 리튬 2차 전지의 단자 전압이 리튬 석출 임계 전압값 미만일 때 리튬 2차 전지 내부에서 발생한다. 도 3에서, 3개의 곡선은 저온 조건 하에서의 관계, 중간 온도 조건 하에서의 관계, 고온 조건 하에서의 관계를 표현한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 고온 조건 하에서, 충전 전류(I)가 0을 초과하고 값(I₃) 미만일 때, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 일정하다. 충전 전류(I)가 값(I₃)을 초과할 때, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 충전 전류(I)가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다. 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 다른 조건 하에서, 즉 저온 조건 하에서 그리고 중간 온도 조건 하에서 유사한 경향을 갖는다. 구체적으로, 중간 온도 조건 하에서, 충전 전류(I)가 0을 초과하고 값(I₂) 미만일 때, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 일정하다. 충전 전류(I)가 값(I₂)을 초과하고 값(I₅) 미만일 때, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 충전 전류(I)가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다. 저온 조건 하에서, 충전 전류(I)가 0을 초과하고 값(I₁) 미만일 때, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 일정하다. 충전 전류(I)가 값(I₁)을 초과하고 값(I₄) 미만일 때, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 충전 전류(I)가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다.

이 방식으로, 리튬 2차 전지는 충전 전류가 증가함에 따라 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)이 감소하는 경향을 갖고, 이 경향은 온도 조건에 따라 변한다. 리튬 2차 전지가 비교적 큰 충전 전류 또는 충전 전력으로 충전되면, 리튬 2차 전지의 단자 전압이 상승할 수 있어 리튬 2차 전지의 단자 전압이 비교적 낮을 때에도 리튬의 석출이 시작되게 된다. 이 관점에서, 리튬 2차 전지의 단자 전압이 리튬의 석출을 방지하면서 가능한 한 높게 상승될 수 있게 하기 위해, 충전 전류 또는 충전 전력을 비교적 작게 유지하는 것이 바람직하다.

충전 전류와 리튬 석출 임계 전압값(V_dep) 사이의 관계는 리튬 2차 전지의 재료 및 구조에 의존하고, 따라서 사전에 계산될 수 있다.

전술된 리튬의 석출에 대한 문제점은 복수의 테이블(충전 전류 대 리튬 석출 임계 전압, 또는 I-V_dep 테이블)이 상이한 온도에 대해 사전에 계산되고 - 이 테이블의 각각은 충전 전류와 리튬 석출 임계 전압값(V_dep) 사이의 관계를 표현함 -, 배터리 제어기(11)의 마이크로컴퓨터(14)의 RAM 내에 기억되어 조립된 배터리(1)가 충전되는 충전 전력(P)을 결정하기 위해 참조되는 본 실시예에 의해 해결된다.

구체적으로, 배터리 제어기(11)의 마이크로컴퓨터(14)는 온도 센서(15)로부터 전지 온도(T)에 대한 정보를 수신하고, 전지 온도(T)에 대응하는 I-V_dep 테이블 중 하나를 판독한다. 다음에, 마이크로컴퓨터(14)는 판독 테이블을 사용하여, 전류 센서(6)에 의해 측정된 충방전 전류(I)에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)을 계산하고, 각각의 전지(2)의 전지 전압(V_cell)이 리튬 석출 임계 전압값(V_dep) 미만으로 유지되도록(V_cell < V_dep) 충전 전력(P)을 설정한다.

I-V_dep 테이블은 다른 파라미터 뿐만 아니라 리튬 2차 전지의 재료 및 구조를 고려하여 준비될 수도 있다. 예를 들어, 이 파라미터는 전지 제어기 IC(12)에 의한 각각의 전지(2)의 전지 전압(V_cell)의 측정시의 에러, 측정시의 지연 및 전지에 대한 충전 동작에 의해 발생된 리플 전류(ripple current)중 적어도 하나일 수 있다. 이 수정예는 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)의 계산의 정확성을 향상시켜 전지(2) 내의 리튬의 석출이 효과적으로 방지될 수 있게 하는 기능을 한다.

I-V_dep 테이블 중 하나를 판독하기 위해 참조되는 전지 온도(T)는 온도 센서(15)에 의해 측정된 온도의 평균일 수도 있다. 대안적으로, 전지 온도(T)는 온도 센서(15)에 의해 측정된 온도 중에서 최고의 것 또는 최저의 것일 수도 있다.

도 4는 조립된 배터리(1)를 충전하는 프로세스를 도시하는 플로우차트이다. 이 프로세스는 차량 시스템이, 조립된 배터리(1)가 충전기(9)에 의해 충전되지 않는 정상 모드로부터 충전 모드로 시스템 제어기(100)에 의해 시프트될 때 시작된다.

단계 S1에서, 배터리 제어기(11)의 마이크로컴퓨터(14)는 충전 모드 요구가 시스템 제어기(100)로부터 수신되었는지 여부를 판정한다. 단계 S1에 대한 대답이 긍정적일 때(예), 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S2로 진행한다. 다른 한편으로는, 단계 S1에 대한 대답이 부정적일 때(아니오), 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S1의 동작을 반복적으로 수행한다.

단계 S2에서, 마이크로컴퓨터(14)는 전류 센서(6)로부터의 충방전 전류(I), 전지 제어기 IC(12)로부터의 전지 전압(V_cell), 총 전압 센서(13)로부터의 조립된 배터리(1)의 총 전압(V) 및 온도 센서(15)로부터의 전지 온도(T)를 얻는다.

단계 S3에서, 마이크로컴퓨터(14)는 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었는지 여부를 판정한다. 이 판정은 단계 S2에서 얻어진 총 전압(V)을 점검함으로써 그리고 총 전압(V)이 특정 완전 충전 전압값에 동일할 때 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었다고 판정함으로써 구현된다. 단계 S3에 대한 대답이 예일 때, 마이크로컴퓨터(14)는 추가의 충전 동작 없이 이 프로세스로부터 복귀한다. 다른 한편으로는, 단계 S3에 대한 대답이 아니오일 때, 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S4로 진행한다.

단계 S4에서, 마이크로컴퓨터(14)는 시스템 제어기(100)로부터의 충전 모드 요구에 응답하여, 조립된 배터리(1)가 충전되는 충전 전력(P)의 충전 전력 설정점(P₁)을 계산한다. 이 계산은 RAM 내에 저장된 I-V_dep 테이블을 사용하여 전지 전압(V_cell) 및 전지 온도(T)에 기초하는 계산에 의해 구현된다. 구체적으로, 마이크로컴퓨터(14)는 전지 온도(T)에 대해 준비된 테이블을 판독하고, 선택된 테이블을 사용하여 전기 전압(V_cell)에 기초하여 충전 전력(P)을 결정한다. 이는 충전 전력(P)의 인가에 의해 전지 전압(V_cell)이 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)에 급속하게 도달하는 것을 방지하는 기능을 한다.

단계 S5에서, 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S4에서 계산된 충전 전력(P)의 충전 전력 설정점(P₁)의 신호 및 충전 허가 신호를 시스템 제어기(100)에 송신한다. 이들 신호에 응답하여, 시스템 제어기(100)는 충전기(9)가 충전 전력 설정점(P₁)으로 설정된 충전 전력(P)으로 조립된 배터리(1)를 충전하도록 충전기(9)에 충전 명령 신호를 송신한다. 이 방식으로, 충전기(9)는 충전 전력 설정점(P₁)으로 설정된 충전 전력(P)으로 조립된 배터리(1)를 충전하기 시작한다.

단계 S6에서, 마이크로컴퓨터(14)는 전류 센서(6)로부터의 충방전 전류(I), 전지 제어기 IC(12)로부터의 전지 전압(V_cell), 총 전압 센서(13)로부터의 조립된 배터리(1)의 총 전압(V) 및 온도 센서(15)로부터의 전지 온도(T)를 얻는다.

단계 S7에서, 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S6에서 얻어진 각각의 전지(2)의 전지 전압(V_cell)에 기초하여 최고 전지 전압(V_cell _{_h})을 계산한다. 최고 전지 전압(V_{cell_h})은 조립된 배터리(1) 내의 모든 전지(2)의 단자 전압 중 최고의 것이다.

단계 S8에서, 마이크로컴퓨터(14)는 전지 온도(T)에 대해 준비된 I-V_dep 테이블을 판독하고, I-V_dep 테이블을 사용하여 충전 전류(I)에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)을 계산한다.

[수학 1]

단계 S9에서, 마이크로컴퓨터(14)는 최고 전지 전압(V_cell _{_h})을 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)과 비교한다. 최고 전지 전압(V_cell _{_h})이 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)보다 낮을 때(V_cell _{_h} < V_dep), 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S12로 진행한다. 반면에, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})이 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)보다 높거나 같을 때(V_cell _{_h} ≥ V_dep), 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S10으로 진행한다.

단계 S10에서, 마이크로컴퓨터(14)는 전지(2) 내의 리튬의 석출을 방지하기 위해 현재 충전 전력 설정점(P₁)으로부터 제2 충전 전력 설정점(P₂)으로 충전 전력(P)을 시프트하고, 여기서 제2 충전 전력 설정점(P₂)은 현재 충전 전력 설정점(P₁)보다 작다. 제2 충전 전력 설정점(P₂)은 RAM 내에 저장된 I-V_dep 테이블을 사용하여, 단계 S6에서 얻어진 전지 전압(V_cell) 및 전지 온도(T)에 기초하여 계산된다. 구체적으로, 마이크로컴퓨터(14)는 전지 온도(T)에 대응하는 I-V_dep 테이블을 판독하고, 판독된 I-V_dep 테이블을 사용하여, 전지 전압(V_cell)에 기초하여 충전 전력(P)의 제2 충전 전력 설정점(P₂)을 결정한다. 이는 제2 충전 전력 설정점(P₂)으로 설정된 충전 전력(P)으로 조립된 배터리(1)의 전압의 감소량을 적합하게 제어하는 것을 허용한다.

각각의 전지(2)의 전지 전압(V_cell)은 최고 전지 전압(V_cell _{_h})보다 낮거나 같다. 따라서, 단계 S9 및 S10의 동작은 최고 전지 전압(V_cell _{_h})을 리튬 석출 임계 전압값(V_dep) 미만으로 유지하고 이에 의해 각각의 모든 전지(2)의 전지 전압(V_cell)을 리튬 석출 임계 전압값(V_dep) 미만으로 유지하는 기능을 한다. 이는 각각의 전지(2) 내의 리튬의 석출을 효과적으로 방지하는 기능을 한다.

단계 S11에서, 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S10에서 계산된 충전 전력(P)의 제2 충전 전력 설정점(P₂)의 신호를 시스템 제어기(100)에 송신한다. 이 신호에 응답하여, 시스템 제어기(100)는 충전기(9)가 제2 충전 전력 설정점(P₂)으로 설정된 충전 전력(P)으로 조립된 배터리(1)를 충전하도록 충전기(9)에 충전 명령 신호를 송신한다. 이 방식으로, 충전기(9)는 제1 충전 전력 설정점(P₁)으로부터 제2 충전 전력 설정점(P₂)으로 시프트된 충전 전력(P)으로 조립된 배터리(1)를 충전하기 시작한다.

단계 S12에서, 마이크로컴퓨터(14)는 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었는지 여부를 판정한다. 이 판정은 단계 S6에서 얻어진 충방전 전류(I) 및 총 전압(V)을 점검함으로써 그리고 단계 S6에서 얻어진 총 전압(V)이 특정 완전 충전 전압값에 동일하고 충방전 전류(I)가 미리 결정된 임계값 미만일 때 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었다고 판정함으로써 구현된다. 단계 S12에 대한 대답이 예일 때, 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S13으로 진행한다. 다른 한편으로는, 단계 S12에 대한 대답이 아니오이면, 마이크로컴퓨터(14)는 단계 S6으로 복귀하고, 단계 S6 내지 S12의 동작을 반복적으로 수행한다.

단계 S13에서, 마이크로컴퓨터(14)는 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었다는 단계 S12에서의 판정에 응답하여 충전 동작을 정지한다. 구체적으로, 마이크로컴퓨터(14)는 시스템 제어기(100)에 충전 정지 요구 신호를 송신한다. 이 충전 정지 요구 신호에 응답하여, 시스템 제어기(100)는 충전 정지 요구 신호를 충전기(9)에 송신한다. 이 충전 정지 요구 신호에 응답하여, 충전기(9)는 조립된 배터리(1)로의 충전 전력(P)의 공급을 종료한다.

도 5는 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법에 의해 전지(2)가 어떻게 충전되는지의 예를 도시한다. 도 5에서, 3개의 실선 또는 파선 곡선은 시간 순간 t₀로부터 시간 순간 t₆의 기간 중에 충전 전력(P), 최고 전지 전압(V_cell _{_h}) 및 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)의 변화를 표현한다.

시간 순간 t₀로부터 시간 순간 t₁의 기간 중에, 어떠한 충전 모드 요구도 시스템 제어기(100)에 의해 발행되지 않는다(단계 S1에서 아니오). 따라서, 충전 전력(P)은 0이 되어 조립된 배터리(1)가 충전되지 않게 된다.

시간 순간 t₁에서, 시스템 제어기(100)는 충전 모드 요구를 발행하고(단계 S1에서 예), 다음에 마이크컴퓨터(14)는 충방전 전류(I), 각각의 전지(2)의 전지 전압(V_cell), 조립된 배터리(1)의 총 전압(V) 및 전지 온도(T)를 얻는다(단계 S2에서). 다음에, 조립된 배터리(1)가 완전히 충전되었는지 여부가 판정되고(단계 S3에서), 충전 전력(P)이 RAM 내에 기억된 I-V_dep 테이블을 사용하여 전지 전압(V_cell) 및 전지 온도(T)에 기초하여 계산된다(단계 S4에서). 도 5의 상황에서, 충전 전력(P)은 시간 순간 t₁에 제1 충전 전력 설정점(P₁)에 동일하도록 계산된다(단계 S4에서). 다음에, 충전기(9)는 조립된 배터리(1)를 충전하기 시작한다(단계 S5에서). 시간 순간 t₂에서, 충전 전력(P)은 제1 충전 전력 설정점(P₁)에 도달한다.

[수학 2]

시간 순간 t₂로부터 시간 순간 t₃의 기간 중에, 마이크로컴퓨터(14)는 충방전 전류(I), 각각의 전지(2)의 전지 전압(V_cell), 조립된 배터리(1)의 총 전압(V) 및 전지 온도(T)를 얻고(단계 S6에서), 최고 전지 전압(V_cell _{_h})을 계산하고(단계 S7에서), 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)을 계산하고(단계 S8에서), 최고 전지 전압(V_cell _{_h}) ≥ 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)의 관계가 참인지 여부를 판정한다(단계 S9에서). 도 5의 상황에서, 시간 순간 t₂로부터 시간 순간 t₃의 기간 중에 시간 순간 t₃ 직전까지, 리튬 석출 임계 전압(V_dep)이 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_1})과 동일하도록 계산되고(단계 S8에서), 최고 전지 전압(V_cell _{_h}) ≥ 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_1})의 관계가 참인지 여부가 판정된다(단계 S9에서). 따라서, 이 기간 중에, 조립된 배터리(1)는 제1 충전 전력 설정점(P₁)으로 설정된 충전 전력(P)으로 충전되고, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})은 충전 동작이 진행됨에 따라 점진적으로 증가한다.

[수학 3]

시간 순간 t₃에서, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})은 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_1})에 동일하게 되어 전지 전압(V_cell) ≥ 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)의 관계가 참이 되고(단계 S9에서 예), 제1 충전 전력 설정점(P₁)보다 작은 제2 충전 전력 설정점(P₂)이 계산되고(단계 S10에서), 조립된 배터리(1)는 제2 충전 전력 설정점(P₂)으로 시프트된 충전 전력(P)으로 충전된다(단계 S11에서). 그 결과, 최고 전지 전압(V_{cell_h})은 충전 전력(P)의 변화량에 대응하는 양만큼 감소한다.

[수학 4]

시간 순간 t₃로부터 시간 순간 t₄의 기간 중에, 조립된 배터리(1)는 충전 전력(P)이 제2 충전 전력 설정점(P₂)으로 설정되고 리튬 석출 임계 전압(V_dep)이 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_2})으로 설정되는 것을 제외하고는, 시간 순간 t₂로부터 시간 순간 t₃의 기간 중에와 유사하게 충전된다. 따라서, 이 기간 중에 시간 순간 t₄ 직전까지, 조립된 배터리(1)는 제2 충전 전력 설정점(P₂)으로 설정된 충전 전력(P)으로 충전되고, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})은 충전 동작이 진행됨에 따라 점진적으로 증가한다. 시간 순간 t₄에서, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})은 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_2})에 동일하게 되어 전지 전압(V_cell) ≥ 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)의 관계가 참이 되고(단계 S9에서 예), 현재 충전 전력 설정점(P₂)보다 작은 제3 충전 전력 설정점(P₃)이 계산되고(단계 S10에서), 조립된 배터리(1)는 제3 충전 전력 설정점(P₃)으로 시프트된 충전 전력(P)으로 충전된다(단계 S11에서). 그 결과, 최고 전지 전압(V_{cell_h})은 충전 전력(P)의 변화량에 대응하는 양만큼 감소한다.

[수학 5]

시간 순간 t₄로부터 시간 순간 t₅의 기간 중에, 조립된 배터리(1)는 충전 전력(P)이 제3 충전 전력 설정점(P₃)으로 설정되고 리튬 석출 임계 전압(V_dep)이 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_3})으로 설정되는 것을 제외하고는, 시간 순간 t₂로부터 시간 순간 t₃의 기간 중에와 유사하게 충전된다. 따라서, 이 기간 중에 시간 순간 t₅ 직전까지, 조립된 배터리(1)는 제3 충전 전력 설정점(P₃)으로 설정된 충전 전력(P)으로 충전되고, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})은 충전 동작이 진행됨에 따라 점진적으로 증가한다. 시간 순간 t₅에서, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})은 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_3})에 동일하게 되어 전지 전압(V_cell) ≥ 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)의 관계가 참이 되고(단계 S9에서 예), 현재 충전 전력 설정점(P₃)보다 작은 제4 충전 전력 설정점(P₄)이 계산되고(단계 S10에서), 조립된 배터리(1)는 제4 충전 전력 설정점(P₄)으로 시프트된 충전 전력(P)으로 충전된다(단계 S11에서). 그 결과, 최고 전지 전압(V_{cell_h})은 충전 전력(P)의 변화량에 대응하는 양만큼 감소한다.

시간 순간 t₅로부터 시간 순간 t₆의 기간 중에, 조립된 배터리(1)는 충전 전력(P)이 제4 충전 전력 설정점(P₄)으로 설정되고 리튬 석출 임계 전압(V_dep)이 리튬 석출 임계 전압값(V_{dep_4})으로 설정되는 것을 제외하고는, 시간 순간 t₂로부터 시간 순간 t₃의 기간 중에와 유사하게 충전된다. 따라서, 이 기간 중에 시간 순간 t₆ 직전까지, 조립된 배터리(1)는 제4 충전 전력 설정점(P₄)으로 설정된 충전 전력(P)으로 충전되고, 최고 전지 전압(V_cell _{_h})은 충전 동작이 진행됨에 따라 점진적으로 증가한다.

도 5의 상황을 참조하여 전술된 방식으로, 조립된 배터리(1)는 점진적으로 감소되는 충전 전력(P)으로 충전함으로써 완전 충전 상태로 충전된다. 이는 충전 전력(P)이 감소함에 따라 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)이 상승하게 하고, 이는 전지(2) 내의 리튬의 석출의 발생을 효과적으로 방지하면서 조립된 배터리(1)를 안전하고 효과적으로 충전하는 기능을 한다.

[수학 6]

본 실시예에 따르면, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 온도 센서(15)에 의해 측정된 전지 온도(T)에 기초하여 전지 온도(T)에 대응하는 충전 전류 대 리튬 석출 임계 전압 테이블 중 하나를 선택함으로써 그리고 충방전 전류(I)에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)을 계산하기 위해 선택된 테이블을 사용함으로써 계산된다. 다음에, 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)은 전지(2)의 전압 중 최고의 것인 최고 전지 전압(V_cell _{_h})과 비교된다. 최고 전지 전압(V_cell _{_h})이 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)보다 크거나 같다는 것(V_cell _{_h} ≥ V_dep)이 비교에 의해 판정될 때, 조립된 배터리(1)가 충전되는 충전 전력(P)이 현재 충전 전력 설정점(P₁)에서 더 작은 충전 전력 설정점으로 시프트된다. 이는 전지(2) 내의 리튬의 석출의 발생을 효과적으로 방지하면서 조립된 배터리(1)를 안전하고 효과적으로 충전하는 기능을 한다.

더욱이, 본 실시예에 따르면, 충전 전력(P)이 상이한 온도에 대해 규정된 충전 전류 대 리튬 석출 임계 전압 테이블 중 하나를 참조함으로써 설정되는 특징은 전지(2) 내의 리튬의 석출의 발생을 효과적으로 방지하면서 조립된 배터리(1)를 안전하고 효과적으로 충전하는 기능을 하고, 이에 의해 조립된 배터리(1)를 완전히 충전하는데 요구되는 기간을 단축시킨다.

본 실시예에 따른 배터리 충전 장치에서, 마이크로컴퓨터(14)는 제어 섹션 및 기억 섹션으로서 기능하고, 충전기(9)는 충전 섹션으로서 기능하고, 전지 제어기 IC(12)는 전압 측정 섹션으로서 기능하고, 온도 센서(15)는 온도 측정 섹션으로서 기능한다.

본 발명이 본 발명의 특정 실시예를 참조하여 전술되었지만, 본 발명은 전술된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 전술된 실시예의 수정예 및 변형예가 상기 교시에 비추어 당 기술 분야의 숙련자들에게 발생할 수 있을 것이다. 본 발명의 범주는 이하의 청구범위를 참조하여 규정된다. 예를 들어, 본 실시예는 이하와 같이 수정될 수도 있다.

본 실시예에서, 마이크로컴퓨터(14)는 전지 전압(V_cell)을 제어하기 위해 충전 전력(P)을 계산하고 조작하도록 구성되지만, 마이크로컴퓨터(14)는 대안적으로 또는 부가적으로 전지 전압(V_cell)을 제어하기 위해 충전 전류(I)를 계산하고 조작하도록 구성될 수도 있다. 이러한 경우에, 충전 전류(I)와 리튬 석출 임계 전압값(V_dep) 사이의 관계를 규정하는 복수의 충전 전류 대 리튬 석출 임계 전압 테이블이 RAM 내에 기억되어 충전 전류(I)의 계산을 위해 참조된다.

[수학 7]

본 실시예에서, 충전 전력(P)은 최고 전지 전압(V_cell _{_h})이 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)보다 크거나 같은 것으로 판정될 때(V_cell _{_h} ≥ V_dep) 시프트되지만, 이는 최고 전지 전압(V_cell _{_h})이 리튬 석출 임계 전압값(V_dep)으로부터 미리 결정된 범위 내에 있을 때(예를 들어, 수 밀리볼트 내지 수십 밀리볼트의 값) 충전 전력(P)이 시프트되도록 수정될 수도 있다.

본 실시예에서, 시스템 제어기(100)는 예를 들어 호스트 차량이 외부 충전 시스템에 접속되어 있는 것에 응답하여 충전 모드를 시작해야 하는지 여부를 판정하는 기능을 갖지만, 이는 충전기(9)가 이 판정을 구현하게 구성되도록 수정될 수도 있다.

Claims

리튬 2차 전지를 포함하는 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전 장치이며,
제1 설정점으로 설정된 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나로 리튬 2차 전지를 충전하도록 구성된 충전 섹션과,
상기 리튬 2차 전지의 단자 전압의 측정된 값을 얻도록 구성된 전압 측정 섹션과,
제어 섹션을 포함하고,
상기 제어 섹션은,
제1 설정점에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값을 계산하고, 상기 리튬은 단자 전압이 리튬 석출 임계 전압값을 초과할 때 리튬 2차 전지 내에 석출되는 것으로 가정되고,
단자 전압의 측정된 값을 계산된 리튬 석출 임계 전압값과 비교하고,
비교에 따라 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어 섹션은 제1 설정점이 증가함에 따라 계산된 리튬 석출 임계 전압값이 감소하도록 리튬 석출 임계 전압값을 계산하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제2항에 있어서, 상기 리튬 2차 전지의 온도의 측정된 값을 얻도록 구성된 온도 측정 섹션을 더 포함하고, 상기 제어 섹션은 온도의 측정된 값이 감소함에 따라 계산된 리튬 석출 임계 전압값이 감소하도록 리튬 석출 임계 전압값을 계산하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제3항에 있어서, 온도가 미리 결정된 설정값에 동일할 때 리튬 석출 임계 전압값과 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나 사이의 관계를 각각 규정하는 테이블의 세트를 기억하도록 구성된 기억 섹션을 더 포함하고, 상기 제어 섹션은 테이블의 세트를 사용하여 리튬 석출 임계 전압값을 계산하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제4항에 있어서, 각각의 테이블은 3개의 팩터 중 적어도 하나를 고려하여 관계를 규정하고, 상기 3개의 팩터는 단자 전압의 측정된 값의 에러, 단자 전압의 측정시의 지연 시간 및 리튬 2차 전지의 충전에 의해 발생된 리플 전류인 배터리 충전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 섹션은 단자 전압의 측정된 값이 리튬 석출 임계 전압값에 도달하였다는 판정에 응답하여 제1 설정점으로부터 제2 설정점으로 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 시프트하고, 충전 섹션이 제2 설정점으로 설정된 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나로 리튬 2차 전지를 충전하게 하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제어 섹션은 단자 전압의 측정된 값이 리튬 석출 임계 전압값에 도달하였다는 판정에 응답하여 제1 설정점으로부터 제2 설정점으로 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 시프트하고, 충전 섹션이 제2 설정점으로 설정된 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나로 리튬 2차 전지를 충전하게 하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제7항에 있어서, 상기 제어 섹션은 리튬 2차 전지의 충전이 시작되기 전에 테이블의 세트를 사용하여 제1 설정점으로 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 설정하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제어 섹션은 테이블의 세트를 사용하여 제2 설정점으로 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 설정하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 섹션은 단자 전압의 측정된 값이 계산된 리튬 석출 임계 전압값에 도달하였는지 여부를 판정함으로써 비교를 구현하도록 구성되는 배터리 충전 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 리튬 2차 전지를 포함하고, 상기 제어 섹션은 리튬 2차 전지 중 하나의 단자 전압의 측정된 값이 리튬 석출 임계 전압값에 도달하였는지 여부를 판정함으로써 비교를 구현하도록 구성되고, 상기 리튬 2차 전지 중 하나는 모든 리튬 2차 전지 중에서 단자 전압의 측정된 값이 가장 높은 배터리 충전 장치.
미리 결정된 설정점으로 설정된 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나로 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전 방법으로, 상기 배터리는 리튬 2차 전지를 포함하는 배터리 충전 방법이며,
상기 설정점에 기초하여 리튬 석출 임계 전압값을 계산하는 단계로서, 상기 리튬은 리튬 2차 전지의 단자 전압이 리튬 석출 임계 전압값을 초과할 때 리튬 2차 전지 내에 석출되는 것으로 가정되는, 리튬 석출 임계 전압값을 계산하는 단계와,
상기 단자 전압을 계산된 리튬 석출 임계 전압값과 비교하는 단계와,
상기 비교에 따라 충전 전류와 충전 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 배터리 충전 방법.