KR20150133587A

KR20150133587A - 배터리의 충전방법 및 이를 위한 배터리 관리 시스템

Info

Publication number: KR20150133587A
Application number: KR1020140060560A
Authority: KR
Inventors: 백호열; 장유홍; 서승범; 정경범
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-30
Also published as: US9634497B2; EP2947748A1; EP2947748B1; US20150340885A1; CN105098876A; KR102248599B1; BR102015011495A2; CN105098876B

Abstract

본 발명의 배터리 충전방법은 기준 충전 C-레이트(rate) 및 상기 기준 충전 C-레이트 보다 큰 값을 가지는 N(여기서 N은 1 이상의 정수임)개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(a); 및(여기서, 전압용량비는 각 C-레이트로 배터리 충전 시, 상기 배터리의 SOC 변화에 따른 전압 변화량과 용량 변화량의 비를 의미함) 상기 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 상기 N개의 충전 C-레이트의 전압용량비들을 각각 비교하여, 각 SOC(state of charge) 구간별로 전압용량비의 차가 최소화 되도록 하는 충전 C-레이트를 상기 N개의 충전 C-레이트들 중에서 설정하는 단계(b); 및 상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하는 단계(c)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 종래의 완속 충전을 수행하는 경우와 비슷한 배터리의 열화도를 보이면서, 배터리의 충전속도를 단축시킬 수 있다.

Description

배터리의 충전방법 및 이를 위한 배터리 관리 시스템{MEHTOD FOR CHARGING A BATTERT AND BATTERY MANAGEMENT SYSTEM THEREOF}

본 발명의 실시예들은 배터리의 충전방법 및 이를 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 열화를 방지하면서 배터리를 급속 충전할 수 있는 배터리의 충전방법 및 이를 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

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

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

도 1은 종래의 이차전지 충전방법의 하나인 정전류-정전압(Constant Current-Constant Voltage) 충전방식(이하, CCCV 충전방법이라 함)을 나타낸 도면이다. 도 1에는 전류를 도시한 바와 같이 제어하여 충전을 행하였을 때의 전압 및 온도의 변화가 보여진다. 충전 초기에는 먼저 정전류(Constant Current, CC) 충전을 행한다. 즉, 만충전 상태의 전지를 1시간이면 방전 가능한 전류치를 1C-레이트(rate)라고 할 때 예를 들면 0.5C-레이트의 정전류로 충전을 행한다. 충전에 따라 전압이 상승하여 소정의 설정전압 Vc, 예를 들면 4.2V에 도달할 때 까지는 CC 충전을 계속한다. 설정전압 Vc에 도달하였을 때에 정전압(Constant Voltage, CV) 충전으로 전환하여, 설정전압 Vc를 유지하도록 충전전류를 감소시키면서 충전을 행한다.

CCCV 충전에 있어서 급속충전을 위해서는 CC 충전시의 C-레이트를 크게 설정하면 된다. 그러나. C-레이트가 증가할수록 이차전지의 발열량이 증가하며, 이차전지의 열화가 빠르게 진행되어 이차전지의 출력 및 용량이 감소되는 문제가 있다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 배터리의 열화를 방지하면서도 배터리를 급속 충전할 수 있는 을 배터리의 충전방법 및 이를 위한 배터리 관리 시스템에 대해 제안 하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 기준 충전 C-레이트(rate) 및 상기 기준 충전 C-레이트 보다 큰 값을 가지는 N(여기서 N은 1 이상의 정수임)개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(a); 및(여기서, 전압용량비는 각 C-레이트로 배터리 충전 시, 상기 배터리의 SOC 변화에 따른 전압 변화량과 용량 변화량의 비를 의미함) 상기 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 상기 N개의 충전 C-레이트의 전압용량비들을 각각 비교하여, 각 SOC(state of charge) 구간별로 전압용량비의 차가 최소화 되도록 하는 충전 C-레이트를 상기 N개의 충전 C-레이트들 중에서 설정하는 단계(b); 및 상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하는 단계(c)를 포함하는 배터리의 충전방법이 제공된다.

상기 단계(a)는, 상기 기준 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하여, 상기 기준 충전 C-레이트에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(a-1); 및 상기 배터리를 방전 시킨 후 이전 충전 단계의 C-레이트보다 기 설정된 값만큼 증가된 제1 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하여, 상기 제1 충전 C-레이트에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(a-2);를 포함하되, 상기 단계(a-2)는 제1 내지 제N 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하기 위해 N번 반복 수행될 수 있다.

상기 배터리의 방전은 정전류-정전압(Constant Current-Constant Voltage, CCCV)방전에 의해 수행될 수 있다.

상기 배터리의 SOC 전체 구간 중 상기 기준 충전 C-레이트와 상기 제N 충전 C-레이트의 전압용량비 간의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고 상기 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 상기 N 충전 C-레이트로 설정하는 단계(b-1); 상기 선택된 SOC 구간이 제외된 SOC 전체 구간 중 상기 기준 충전 C-레이트와 제N-1 충전 C-레이트의 전압용량비간의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고, 상기 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 상기 제N-1 충전 C-레이트로 설정하는 단계(b-2)를 포함하되, 상기 단계(b-2)는 N-2 내지 제1 충전 C-레이트에 대해 동일하게 반복 수행될 수 있다.

상기 전체 SOC 전체 구간 중 상기 N 개의 충전 C-레이트 중 어느 하나가 설정되지 않은 구간의 충전 C-레이트는 상기 기준 충전 C-레이트로 설정될 수 있다.

상기 단계(c)는, 상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트를 이용하여 각 SOC 구간별로 정전류(Constant Current, CC) 충전 또는 정전류-정전압(CCCV) 충전을 수행할 수 있다.

상기 배터리의 충전이 CC 충전에 의해 수행되는 경우, 상기 SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간의 충전은 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 상기 배터리의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 공급되어 CC 충전이 수행될 수 있다.

상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간에 설정된 C-레이트로 상기 배터리가 충전되는 경우, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압일 수 있다.

상기 배터리의 충전이 CCCV 충전에 의해 수행되는 경우, 상기 SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간에서의 충전은 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 상기 배터리의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 공급되어 CC 충전이 수행되며, 상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때까지 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트가 공급되어 CV 충전이 수행될 수 있다.

상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간의 다음 구간인 제2 SOC 구간에 설정된 C-레이트로 상기 배터리가 충전되는 경우, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압일 수 있다.

상기 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트는 상기 제1 SOC 구간의 다음 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트까지 감소될 수 있다.

상기 배터리의 충방전이 기 설정된 횟수 이상 수행된 경우, 상기 단계(a) 내지 단계(b)를 재 수행하여 상기 각 SOC 구간별로 충전 C-레이트들을 재설정 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리; 기준 충전 C-레이트(rate) 및 상기 기준 충전 C-레이트 보다 큰 값을 가지는 N(여기서 N은 1 이상의 정수임)개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하는 전압용량비 획득부; 및 (여기서, 전압용량비는 각 C-레이트로 배터리 충전 시, 상기 배터리의 SOC 변화에 따른 전압 변화량과 용량 변화량의 비를 의미함) 상기 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 상기 N개의 충전 C-레이트의 전압용량비들을 각각 비교하여, 각 SOC(state of charge) 구간별로 전압용량비의 차가 최소화 되도록 하는 충전 C-레이트를 상기 N개의 충전 C-레이트들 중에서 설정하는 충전전류 설정부; 및 상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 상기 배터리가 충전되도록 제어하는 MCU를 포함하는 배터리 관리 시스템이 제공된다.

본 발명에 따르면, 종래의 완속 충전을 수행하는 경우와 비슷한 배터리의 열화도를 보이면서, 배터리의 충전속도를 단축시킬 수 있다.

도 1은 종래의 이차전지 충전방법의 하나인 CCCV 충전방식을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 복수의 C-레이트에 대한 전압용량비를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 SOC 구간에서 CC 충전이 수행되는 방식을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 SOC 구간에서 CCCV 충전이 수행되는 방식을 나타낸 도면이다.
도 6은 완속 충전 또는 급속 충전을 반복했을 때의 용량 회복율과 본 발명의 충전방법을 적용했을 때의 용량 회복률을 비교한 도면이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

본 발명은 배터리의 열화 즉, 배터리의 용량 및 출력 감소를 최소화하면서 급속 충전을 수행할 수 있는 배터리의 충전 방법 및 이를 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 급속 충전에 적합한 충전 조건을 찾기 위해 SOC의 변화에 따른 전압 변화량과 용량 변화량의 비인 전압용량비를 복수의 C-레이트(rate)에 대해 획득하고, 완속 충전의 기준이 되는 기준 충전 C-레이트에 대한 전압용량비와 기준 충전 C-레이트보다 큰 값을 가지는 복수의 C-레이트들의 전압용량비를 비교하여, 각 SOC 구간별로 전압 용량비의 차가 최소화 되도록 하는 충전 C-레이트들을 설정하고, SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 배터리의 충전을 수행함으로써, 완속 충전시의 배터리 성능을 유지하면서도 충전 시간을 단축시킬 수 있는 발명에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 보다 자세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)의 구성을 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 배터리 관리 시스템(100)은 MCU(Micro Control Unit)(110), 센싱부(120), 전압용량비 획득부(130) 및 충전전류 설정부(140)를 포함할 수 있다.

MCU(110)는 배터리(10)의 전체적인 충방전을 관리 및 제어하는 역할을 한다.

센싱부(120)는 전류 센서 및 전압 센서를 이용하여 배터리(10)의 출력 전류 및 전압을 측정한다.

전압용량비 획득부(130)는 완속 충전을 위한 기준 충전 C-레이트 및 상기 기준 충전 C-레이트 보다 큰 값을 가지는 N(여기서, N은 1 이상의 정수임)개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득한다.

여기서, C-레이트는 커런트 레이트(Current rate)로, 전지의 충방전 시 다양한 사용 조건 하에서의 전류값 설정 및 전지의 가능 사용시간을 예측하거나 표기하기 위한 단위로서, 충방전율에 따른 전류 값의 산출은 충전 또는 방전 전류를 전지 정격용량으로 나누어 충방전 전류 값을 산출한다. C-레이트 단위는 C를 사용하며 하기 수학식 1 과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 1]

C-레이트 = 충방전 전류/ 전지의 정격용량

상기 충전 C-레이트에 대한 전압 용량비는 SOC(State of charging)의 변화에 따른 전압의 변화량을 용량의 변화량으로 나눈 값으로 정의 될 수 있으며, 하기의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, dV는 SOC 의 변화에 따른 전압 변화량, dQ는 SOC 변화에 따른 용량의 변화량을 각각 의미한다.

전압용량비 획득부(130)는 완속 충전을 위한 기준 충전 C-레이트로 배터리를 충전하여, 기준 충전 C-레이트에 대한 전압용량비를 획득할 수 있다. 이때, 전압용량비 획득부(130)는 기준 충전 C-레이트로 배터리가 충전되는 동안 센싱부(120)로부터 입력되는 전압 및 전류값을 이용하여 전압용량비를 획득할 수 있다.

이후, 배터리를 방전 시킨 후, 이전 충전 단계의 충전 C-레이트 보다 기 설정된 값만큼 증가된 제1 충전 C-레이트로 배터리를 충전하여, 상기 제1 충전 C-레이트에 대한 전압 용량비를 획득할 수 있다.

이후 상기 방전 및 충전 C-레이트를 증가시켜 충전하는 과정을 반복 수행하면서, 기 설정된 N개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 각각 획득할 수 있다. 따라서, N개의 충전 C-레이트 중 제1 충전 C-rate가 가장 작은 값이며, 제N 충전 C-레이트가 가장 큰 값을 가지게 된다.

여기서, 배터리의 방전은 정전류-정전압(Constant Current-Constant Voltage, 이하, CCCV라 함)방전에 의해 수행될 수 있다. 정전류(이하, CC라 함) 방전을 수행하는 경우 방전 C-레이트가 증가하면 과전압의 증가로 인해 컷 오프 전압에 빠르게 도달하게 되므로 방전 용량의 감소가 발생할 수 있기 때문이다.

충전 C-레이트들의 전압용량비는 물질의 전기화학적 특성을 반영하기 때문에 전압용량비의 변화는 물질의 특성이 변화되었다는 것을 의미한다. 즉, 서로 다른 충전 C-레이트에 대한 전압용량비가 유사하다면 물질의 특성이 유사하다고 추정할 수 있다. 따라서, 완속 충전을 위한 기준 충전 C-레이트와 급속 충전을 위한 N개의 충전 C-레이트들간의 전압용량비가 유사한 정도를 이용하여 SOC 구간을 나눈 후 구간별로 급속 충전을 위한 충전 C-레이트를 설정한다면, 완속 충전을 수행하는 경우와 비슷한 열화 정도를 보이면서 급속 충전을 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 복수의 C-레이트에 대한 전압용량비를 도시한 도면이다.

도 3에서 X축은 SOC%, Y축은 전압용량비를 의미한다. 도 3에는 기준 충전 C-레이트(0.5C), 제1 충전 C-레이트(0.8C), 제2 충전 C-레이트(1.1C), 제3 충전 C-레이트(1.4C)에 대한 전압용량비가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, SOC가 15~70%인 구간에는 제1 충전 레이트와 제2 충전 C-레이트와 기준 충전 C-레이트의 전압 용량비가 유사함을 확인할 수 있으며, SOC가 70~80%인 구간에는 제1 충전 C-레이트와 기준 충전 C-레이트의 전압용량비가 유사함을 확인할 수 있다.

도 3에서 기준 충전 C-레이트에 대한 전압용량비가 SOC가 90%인 구간까지 도시된 이유는 배터리(10)의 SOC가 90%가 된 이후에는 정전압(CV) 충전이 수행되어 전압의 변화량이 0이 되기 때문이다.

SOC 구간별로 충전 C-레이트를 설정하기 위해, 충전 전류 설정부(140)는 기춘 충전 C-레이트의 전압용량비와 N개의 충전 C-레이트의 전압용량비들을 각각 비교하여, 각 SOC 구간별로 전압용량비의 차가 최소화되도록 하는 충전 C-레이트를 N개의 충전 C-레이트들 중에서 설정한다.

보다 상세하게, 충전 전류 설정부(140)는 배터리의 SOC 전체 구간 중 우선, 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 상기 N개의 충전 C-레이트 중 가장 큰 값을 가지는 제N 충전 C-레이트의 전압용량비의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 N 충전 레이트로 설정할 수 있다(S10). 여기서 기 설정된 범위는 배터리의 특성을 고려하여 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다.

이어서, 상기 선택된 SOC 구간이 제외된 SOC 전체 구간 중 상기 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 제N-1 충전 C-레이트의 전압용량비의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고, 상기 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 상기 N-1 충전 C-레이트로 설정할 수 있다(S20)

충전 전류 설정부는(140)는 단계(S20)를 N-2 내지 제1 충전 C-레이트에 대해 동일하게 반복 수행(S30)할 수 있다.

상기 과정을 살펴보면 N개의 충전 C-레이트 중 충전 C-레이트 값이 가장 큰 값인 제N 충전 C-레이트와 기준 충전 C-레이트의 전압 용량비를 우선적으로 비교하고 순차적으로 작은 값을 가지는 충전 C-레이트와 기준 충전 C-레이트의 전압용량비를 비교한다. 특정 SOC 구간에서 전압용량비의 차가 기 설정된 범위 내인 충전 C-레이트가 복수 개인 경우 급속 충전을 위해 가장 큰 충전 C-레이트를 특정 SOC 구간의 충전 C-레이트로 설정하기 위함이다.

또한, 충전 전류 설정부(140)는 SOC 전체 구간 중 상기 과정을 통해 충전 C-레이트가 설정되지 않은 구간의 충전 C-레이트를 기준 충전 C-레이트로 설정할 수 있다.

이하에서는 도 3을 참조하여 단계(S10) 내지 (S30)에 대해 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 우선 충전 전류 설정부(140)는 SOC 전체 구간 중 기준 충전 C-레이트와 제3 충전 C-레이트의 전압용량비 간의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간이 있는지 판단한다. 도 3에서는 기준 충전 C-레이트의 전압 용량비와 제3 충전 C-레이트의 전압 용량비가 기 설정된 범위 내에 있는 SOC 구간이 없는 것으로 가정하여 설명하도록 한다.

이어서, 충전 전류 설정부(140)는 SOC 전체 구간 중 기준 충전 C-레이트와 제2 충전 C-레이트의 전압용량비 간의 차가 기 설정된 범위 내에 있는 SOC 구간이 있는지 판단한다. 도 3을 통해서는 SOC가 15 ~ 70%인 구간이 기 설정된 범위 내에 있는 SOC 구간으로 판단되는 것으로 가정한다. 이 경우, 충전 전류 설정부(140)는 SOC가 15 ~ 70%인 구간의 충전-C 레이트를 1.1C로 설정할 수 있다.

도 3의 SOC가 0~15%인 초기 구간에서는 전압용량비의 변화가 급격하게 변함을 확인할 수 있는데 이는 배터리(10)에 충전-C 레이트가 인가됨에 인한 과전압(over-potential)증가로 인해 나타나는 현상이다. 따라서, 초기구간에 설정되는 충전 C-레이트는 충전 C-레이트들의 전압용량비를 비교하여 설정하지 않고 초기 구간의 다음 SOC 구간에 설정되는 충전-C 레이트로 설정될 수 있다. 즉, 초기구간인 SOC가 0~15%인 구간의 충전 C-레이트 또한 1.1C로 설정될 수 있다.

이어서, 충전 전류 설정부(140)는 SOC 전체 구간 중 SOC가 15~70%인 구간을 제외한 SOC 구간 중에서 기준 충전 C-레이트와 제1 충전 C-레이트의 전압용량비 간의 차가 기 설정된 범위 내에 있는 SOC 구간이 있는지 판단한다. 도 3을 통해서는 SOC가 70 ~ 80%인 구간이 기 설정된 범위 내에 있는 SOC 구간으로 판단되는 것으로 가정한다. 이 경우 충전 전류 설정부(140)는 SOC가 70~80%인 구간의 충전-C 레이트를 0.8C로 설정할 수 있다.

충전 전류 설정부(140)는 SOC 전체 구간 중 상기 과정을 통해 충전 C-레이트가 설정되지 않은 구간의 충전 C-레이트를 기준 충전 C-레이트로 설정할 수 있다.

상기와 같이 충전 전류 설정부(140)에 의해 SOC 구간별로 설정된 C-레이트는 하기의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.

SOC[%]	충전 C-레이트
0~15	1.1C
15~70	1.1C
70~80	0.8C
80~90	0.5C

MCU(110)는 표 1과 같이 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 배터리(10)가 충전되도록 제어한다.

이때, MCU(110)는 각 SOC 구간별로 CC 충전 또는 CCCV 을 수행할 수 있다.

배터리(10)의 충전이 CC 충전에 의해 수행되는 경우, SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간의 충전은 배터리(10)의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 공급되어 CC 충전이 수행될 수 있다.

이때, 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트로 배터리(10)가 충전되는 경우, 배터리(10)의 SOC가 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압일 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 SOC 구간에서 CC 충전이 수행되는 방식을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 제1 CC 충전 구간인 SOC가 0 ~70%인 구간에서는 1.1C로 배터리가 충전되며, 제2 CC 충전 구간인 SOC가 70~80%인 구간에서는 0.7C로 배터리가 충전되며, 제3 CC 충전 구간인 SOC가 80~90%인 구간에서는 0.5C로 배터리가 충전됨을 확인할 수 있다.

도 4에 도시된 제1 전압 그래프는 1.1C로 배터리가 충전될 시의 전압 변화이며, 제2 전압 그래프는 0.8C로 배터리가 충전될 시의 전압 변화이며, 제3 전압 그래프는 0.5C로 배터리가 충전될 시의 전압 변화를 의미한다.

도 4를 참조하면, SOC 구간 0~70%에서의 충전 컷-오프 전압은 제1 전압 그래프에서 배터리(10)의 SOC가 제1 CC 충전 구간의 종료 SOC인 70%가 될 때의 배터리의 전압인 4.1V일 수 있다.

즉, SOC 구간 0~70%에서 1.1C로 공급되는 충전 C-레이트는 배터리(10)의 전압이 충전 컷-오프 전압에 도달될 때까지 공급되어 제1 CC 충전이 수행되며, 이어서 다음 SOC 구간인 70~80%에 설정된 충전 C-레이트인 0.8C가 배터리(10)에 공급되어 제2 CC 충전이 수행된다.

배터리(10)의 충전이 CCCV 충전에 의해 수행되는 경우, SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간에서의 충전은 배터리의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 배터리에 공급되어 CC 충전이 수행되며, 상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때까지 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트가 공급되어 CV 충전이 수행된다.

이때, 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간의 다음 구간인 제2 SOC 구간에 설정된 C-레이트로 상기 배터리가 충전되는 경우, 배터리(10)의 SOC가 상기 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트는 상기 제1 SOC 구간의 다음 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트까지 감소될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 SOC 구간에서 CCCV 충전이 수행되는 방식을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 제1 CCCV 충전 구간은 SOC가 0~70%인 구간이며, 제2 CCCV 충전 구간은 SOC가 70~80%인 구간이며, 제3 CCCV 충전 구간은 SOC가 80~100%인 구간이다.

도 5에 도시된 제1 전압 그래프는 1.1C로 배터리가 충전될 시의 전압 변화이며, 제2 전압 그래프는 0.8C로 배터리가 충전될 시의 전압 변화이며, 제3 전압 그래프는 0.5C로 배터리가 충전될 시의 전압 변화를 의미한다.

도 5를 참조하면, 제1 CCCV 충전 구간에서의 충전은 우선, 1.1C가 배터리의 전압이 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 공급되어 CC 충전이 수행된다. 이때, 충전 컷-오프 전압은 제2 전압 그래프에서 배터리의 SOC가 제1 CCCV 충전 구간의 종료 SOC인 70%가 될 때의 전압인 4.0V가 된다.

이어서, 1.1C로 공급되던 충전 C-레이트는 제2 CCCV 충전 구간에 설정된 0.8C의 충전 C-레이트까지 순차적으로 감소되어 CV 충전이 수행된다.

각 SOC 구간에서 CC 충전을 수행하는 경우 CCCV 충전을 수행하는 경우에 비해서 충전속도는 빠른 반면 배터리(10)의 열화는 다소 빠르게 진행될 수 있다.

도 6은 완속 충전 또는 급속 충전을 반복했을 때의 용량 회복율과 본 발명의 충전방법을 적용했을 때의 용량 회복률을 비교한 도면이다.

도 6을 참조하면, 충방전 횟수가 증가할수록 감소하는 용량 회복률의 그래프가 완속 충전을 수행한 경우와 본 발명의 충전방법을 수행한 경우 유사하게 나타난다. 그러나, 완속 충전에 비해 충전 C-레이트를 크게 하여 급속 충전을 수행한 경우의 용량 회복률은 충방전 횟수가 150회를 넘어가면서 급격히 저하됨을 확인할 수 있다.

여기서, 완속 충전을 수행하는 경우와 본 발명의 충전방법을 수행한 경우의 용량 회복율이 유사하다는 의미는 완속 충전과 본 발명을 이용한 급속 충전시 배터리 내의 전기화학적 특성이 유사함을 의미한다. 또한, 본 발명의 급속 충전을 반복하더라도 완속 충전을 하는 경우처럼 배터리를 장기간 사용할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 완속 충전을 한 경우 만충전까 142분이 소요되었으며, 본 발명의 충전 방법에 의한 경우 충전완료까지 95분이 소요되어 되었다. 급속 충전에 의한 경우에는 충전완료까지 98분이 소요되었다. 즉, 본 발명의 충전방법을 적용하는 경우 종래의 급속 충전을 수행한 경우와 비슷한 수준의 충전속도를 보임을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전방법의 전체적인 과정을 도시한 순서도이다.

먼저, 기준 충전 C-레이트(rate) 및 상기 기준 충전 C-레이트 보다 큰 값을 가지는 N(여기서 N은 1 이상의 정수임)개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득한다(S100).

이때, 단계(S100)은 기준 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하여, 상기 기준 충전 C-레이트에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(S100-1); 및 상기 배터리를 방전 시킨 후 이전 충전 단계의 C-레이트보다 기 설정된 값만큼 증가된 제1 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하여, 상기 제1 충전 C-레이트에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(S100-2)를 포함하되, 상기 단계(S100-2)는 제1 내지 제N 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하기 위해 N번 반복 수행될 수 있다.

이어서, 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 상기 N 개의 충전 C-레이트의 전압용량비들을 각각 비교하여, 각 SOC 구간별로 전압용량비의 차가 최소화되도록 하는 충전 C-레이트를 상기 N개의 충전 C-레이트들 중에서 설정한다(S200).

보다 상세하게, 단계(S200)은 상기 배터리의 SOC 전체 구간 중 상기 기준 충전 C-레이트와 상기 제N 충전 C-레이트의 전압용량비 간의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고 상기 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 상기 N 충전 C-레이트로 설정하는 단계(S200-1); 및 상기 선택된 SOC 구간이 제외된 SOC 전체 구간 중 상기 기준 충전 C-레이트와 제N-1 충전 C-레이트의 전압용량비간의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고, 상기 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 상기 N-1 충전 C-레이트로 설정하는 단계(S200-2)를 포함하되, 상기 단계(S200-2)는 N-2 내지 제1 충전 C-레이트에 대해 동일하게 반복 수행될 수 있다.

마지막으로, SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 배터리를 충전한다(S300).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리의 충방전이 기 설정된 횟수 이상 수행된 경우 상기 단계(S100) 내지 단계(S200)을 재 수행하여 상기 각 SOC 구간별로 충전 C-레이트들을 재설정할 수 있다.

이는, 충방전 횟수가 증가함에 따른 배터리의 열화로 인해 처음 설정된 각 SOC 구간별 충전 C-레이트에 따른 전압용량비와 기준 충전 C-레이트의 전압용량비 간의 유사도가 달라질 수 있기 때문이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 배터리 100: 배터리 관리 시스템
110: MCU 120: 센싱부
130: 전압용량비 획득부 140: 충전전류 설정부

Claims

기준 충전 C-레이트(rate) 및 상기 기준 충전 C-레이트 보다 큰 값을 가지는 N(여기서 N은 1 이상의 정수임)개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(a); 및(여기서, 전압용량비는 각 C-레이트로 배터리 충전 시, 상기 배터리의 SOC 변화에 따른 전압 변화량과 용량 변화량의 비를 의미함)
상기 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 상기 N개의 충전 C-레이트의 전압용량비들을 각각 비교하여, 각 SOC(state of charge) 구간별로 전압용량비의 차가 최소화 되도록 하는 충전 C-레이트를 상기 N개의 충전 C-레이트들 중에서 설정하는 단계(b); 및
상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하는 단계(c)를 포함하는 배터리의 충전방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(a)는,
상기 기준 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하여, 상기 기준 충전 C-레이트에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(a-1); 및
상기 배터리를 방전 시킨 후 이전 충전 단계의 C-레이트보다 기 설정된 값만큼 증가된 제1 충전 C-레이트로 상기 배터리를 충전하여, 상기 제1 충전 C-레이트에 대한 전압용량비를 획득하는 단계(a-2);를 포함하되,
상기 단계(a-2)는 제1 내지 제N 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하기 위해 N번 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제2항에 있어서,
상기 배터리의 방전은 정전류-정전압(Constant Current-Constant Voltage, 이하, CCCV라 함)방전에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제2항에 있어서,
상기 단계(b)는
상기 배터리의 SOC 전체 구간 중 상기 기준 충전 C-레이트와 상기 제N 충전 C-레이트의 전압용량비 간의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고 상기 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 상기 N 충전 C-레이트로 설정하는 단계(b-1);
상기 선택된 SOC 구간이 제외된 SOC 전체 구간 중 상기 기준 충전 C-레이트와 제N-1 충전 C-레이트의 전압용량비간의 차가 기 설정된 범위 이내인 SOC 구간을 선택하고, 상기 선택된 SOC 구간의 충전 C-레이트를 상기 제N-1 충전 C-레이트로 설정하는 단계(b-2)를 포함하되,
상기 단계(b-2)는 N-2 내지 제1 충전 C-레이트에 대해 동일하게 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제4항에 있어서,
상기 전체 SOC 전체 구간 중 상기 N 개의 충전 C-레이트 중 어느 하나가 설정되지 않은 구간의 충전 C-레이트는 상기 기준 충전 C-레이트로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(c)는,
상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트를 이용하여 각 SOC 구간별로 정전류(Constant Current, 이하, CC라 함) 충전 또는 정전류-정전압(Constant Current-Constant Voltage, 이하, CCCV라 함) 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제6항에 있어서,
상기 배터리의 충전이 CC 충전에 의해 수행되는 경우,
상기 SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간의 충전은 상기 배터리의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 공급되어 CC 충전이 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제7항에 있어서,
상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간에 설정된 C-레이트로 상기 배터리가 충전되는 경우, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압인 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제6항에 있어서,
상기 배터리의 충전이 CCCV 충전에 의해 수행되는 경우,
상기 SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간에서의 충전은 상기 배터리의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 공급되어 CC 충전이 수행되며,
상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때까지 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트가 공급되어 CV 충전이 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제9항에 있어서,
상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간의 다음 구간인 제2 SOC 구간에 설정된 C-레이트로 상기 배터리가 충전되는 경우, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압인 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
제9항에 있어서,
상기 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트는 상기 제1 SOC 구간의 다음 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트까지 감소되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 배터리의 충방전이 기 설정된 횟수 이상 수행된 경우, 상기 단계(a) 내지 단계(b)를 재 수행하여 상기 각 SOC 구간별로 충전 C-레이트들을 재설정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전방법.
기준 충전 C-레이트(rate) 및 상기 기준 충전 C-레이트 보다 큰 값을 가지는 N(여기서 N은 1 이상의 정수임)개의 충전 C-레이트 각각에 대한 전압용량비를 획득하는 전압용량비 획득부; 및 (여기서, 전압용량비는 각 C-레이트로 배터리 충전 시, 상기 배터리의 SOC 변화에 따른 전압 변화량과 용량 변화량의 비를 의미함)
상기 기준 충전 C-레이트의 전압용량비와 상기 N개의 충전 C-레이트의 전압용량비들을 각각 비교하여, 각 SOC(state of charge) 구간별로 전압용량비의 차가 최소화 되도록 하는 충전 C-레이트를 상기 N개의 충전 C-레이트들 중에서 설정하는 충전전류 설정부; 및
상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트로 상기 배터리가 충전되도록 제어하는 MCU를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제13항에 있어서,
상기 배터리의 전압 및 전류를 센싱하는 센싱부를 더 포함하되,
상기 전압용량비 획득부는 기준 충전 C-레이트 및 상기 N개의 충전 C-레이트 중 어느 하나의 충전 C-레이트를 이용하여 상기 배터리를 충전할 시 상기 센싱부에서 센싱되는 전압 및 전류 값을 이용하여 상기 어느 하나의 충전 C-레이트의 전압 용량비를 획득하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제13항에 있어서,
상기 MCU는 상기 SOC 구간별로 설정된 충전 C-레이트를 이용하여 각 SOC 구간별로 정전류(Constant Current, CC) 충전 또는 정전류-정전압(CCCV) 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제15항에 있어서,
상기 배터리의 충전이 CC 충전에 의해 수행되는 경우,
상기 SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간의 충전은 상기 배터리의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 공급되어 CC 충전이 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제16항에 있어서,
상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간에 설정된 C-레이트로 상기 배터리가 충전되는 경우, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제15항에 있어서,
상기 배터리의 충전이 CCCV 충전에 의해 수행되는 경우,
상기 SOC 구간 중 어느 하나의 구간인 제1 SOC 구간에서의 충전은 상기 배터리의 전압이 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압이 될 때까지 상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트가 공급되어 CC 충전이 수행되며, 상기 배터리의 SOC가 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때까지 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트가 공급되어 CV 충전이 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템..
제18항에 있어서,
상기 제1 SOC 구간에 설정된 충전 컷-오프 전압은 상기 제1 SOC 구간의 다음 구간인 제2 SOC 구간에 설정된 C-레이트로 상기 배터리가 충전되는 경우, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 SOC 구간의 종료 SOC가 될 때의 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템..
제12항에 있어서,
상기 순차적으로 감소되는 충전 C-레이트는 상기 제1 SOC 구간의 다음 SOC 구간에 설정된 충전 C-레이트까지 감소되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.