KR20160009049A - 리차져블 전지를 충전하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리차져블 전지, 특히 리튬 이온 전지를 적응적으로 충전하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 전지를 충전하기 위한 장치에 관한 것이다. 전지의 용량이 최적으로 활용되고, 충전 시간이 크게 줄어들며, 전지의 내구성이 연장되고, 충전 전지의 노화가 실질적으로 방지되며, 전지의 용량 증가가 가능한 리튬계 전지를 충전하기 위한 방법/장치를 제공하기 위해, 충전 펄스들(31) 동안에 충전 전류 I_L이 전지의 공칭 충전 전류를 초과하며 상기 전지를 펄스 충전하는 단계; 및 상기 충전 펄스들(31) 사이에서 로드 펄스들(32)에 의해 상기 전지가 방전되는 단계를 포함하는 방법이 제안된다.

Description

리차져블 전지를 충전하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CHARGING RECHARGEABLE CELLS}

본 발명은 리차져블 전지, 특히 리튬 이온 전지 또는 리튬계 전지를 충전하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 전지를 충전하기 위한 장치에 관한 것이다.

재생 에너지원, 특히, 태양광 발전이나 풍력 발전에 기초한 전기 에너지 생산에 있어서의 방향 조정을 위해, 저장된 전기 에너지를 필요한 때에 필요한 만큼 활용 가능하도록 그 발생된 에너지를 효율적으로 저장하는 것이 점점 더 요구되고 있다.

또한, 특히 건축분야 및 통신 분야에서, 리차져블 배터리 또는 전지로 구동되는 휴대용 배터리-오퍼레이티드 장치의 수는 현저히 증가해 오고 있다. 이러한 장치들에서 리차져블 배터리의 용량은 하나의 필수 기능적 특징을 대표한다. 리차져블 전지의 용량에 영향을 미치는 인자들은, 한편으로는, 예전부터 전지 또는 배터리의 형상 치수를 확대함으로써 달성해 왔던 기하학적 크기이다. 다른 한편으로는, 일반적인 배터리-오퍼레이티드 장치들에 있어서 배터리나 전지는 제일 먼저 수명이 다하기 때문에, 내구성과 최대로 가능한 충전 사이클의 수는 지대한 역할을 한다. 다시 말하면, 그러한 장치들에 있어 구성품들의 내구성과 관련하여, 리차져블 배터리 또는 전지는 사용 수명이 짧은 구성품들 중 하나이다.

또한, 하이브리드 또는 전기 자동차에서, 매우 빠르게 발전하는 E-모빌리티 분야의 새로운 기술을 받아들임에 있어서, 리차져블 전지/배터리/저장모듈의 용량, 내구성, 및 충전시간과 같은 특징들은 특히 중요하다. 여기서도, 리차져블 전지의 기하학적 치수와 무게는 매우 중요하다.

리튬 이온 전지는 다른 기술에 비해 충전 사이클의 수가 높으며 긴 수명을 가지기 때문에, 리튬 이온 전지는 리차져블 전지들 중 특히 유리하다는 것이 최근 몇 개월 동안 입증되어 왔다. 또한, 리튬 이온 전지는 다른 리차져블 전지와 비교하여 높은 저장 용량을 가지고 있다.

리튬 이온 전지에 있어서, 그 전지는 설계에 따라 그 용량의 30%까지 방전된다. 다시 말하면, 그 임계치인 30% 이하로 전지를 방전하게 되면 리튬 이온 전지는 돌이킬 수 없는 상태로 파괴되기 때문에, 전지에 저장된 고유 에너지 30%는 사용자에게 활용되지 못한다. 전지가 임계치 이하로 방전되면, 이온들은 전극 재료(Cu, Al)로부터 분리될 수 있으며, 이로 인해 전극이 파괴될 수 있다.

또한, 오늘날의 리튬 이온 전지를 포함해서, 전지는 그 용량의 80%까지만 충전되는데, 그 이유는, 충전 종단 전압(end-of-charge voltage)에 도달할 때 정상적인 경우 전류는 제한을 받으며, 그래서, 용량의 나머지 20%는 더 적은 암페어에서 충전되어 시간적인 관점에서 더 적은 에너지가 전지로 저장 또는 쌓이게 되므로, 전지가 100%까지 충전되려면, 기하 급수적으로 시간이 더 많이 걸리기 때문이다.

사용자의 사용 형태에 따라 크게 달라지기 때문에, 한편으로는 최대 충전 사이클 수를 달성하고, 다른 한편으로는 충전에 필요한 시간을 가능한 한 짧게 유지하기 위해서는, 사용 가능 용량으로의 전지의 충전은 가능한 한 빠르게 수행되면서도 매우 조심스럽게 수행되어야 함이 다시 한번 강조된다.

리튬 이온 전지의 충전 시간 단축을 위한 한 가지 알려진 방법은 펄스 충전이다. 이와 관련하여 미국 특허번호 제5,481,174호는 양의 펄스 및 음의 펄스를 이용하여 리튬 이온 전지를 충전하는 방법을 기술하고 있는데, 미리 설정된 최대 전압에 도달한 후 그 양의 전류 펄스의 높이가 감소되어 결과적으로 긴 충전 프로세스가 된다.

이러한 상황에 기초하여, 본 발명의 목적은, 전지 용량의 최적 활용, 및/또는 충전시간의 큰 감소, 및/또는 전지의 내구성 향상, 및/또는 충전된 전지 퇴화의 사실상 방지를 위한 리튬 이온 전지 충전 방법 및 장치를 제안하는 것이다.

본 발명은 더 빠른 속도로 리차져블 전지 또는 배터리를 충전한다는 아이디어에 기반한다. 이를 위해, 한편으로는 전지가 매우 안정적이고 효율적인 방식으로 충전되고, 다른 한편으로는 충전 시간이 가능한 한 효율적으로 사용되는 펄스 충전 방법이 제안된다.

또한, 리차져블 전지가 펄스 충전단계를 위하여 준비되거나 활성화되도록 하는 충전 준비 단계가 추가될 수 있다. 그러나 전술한 목적을 달성하기 위한 것으로서는, 단지 펄스 충전 단계만으로도 충분하다.

본 발명에 따른 펄스 - 충전 단계에 대해서 이제 처음부터 상세히 설명한다. 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax를 초과하는 충전 전류 I_L로서, 예컨대, 제조사가 데이터 시트에서 정하고 있는 값의 5배까지 초과하는 전류로 충전되는 펄스 충전 방법이 적용된다. 펄스 충전 방식은 양의 펄스들과 음의 펄스들로 구성된다. 음의 펄스는 전지에 정해진 로드(load)를 부하시키는 것을 나타낸다. 즉, 음의 펄스에서 전지는 에너지를 방전하거나 또는 전류는 역방향으로 흐른다. 양의 펄스가 충전 펄스라고 불리는 반면, 음의 펄스는 로드 펄스 또는 방전 펄스라고 불린다. 역방향 펄스라는 용어가 또한 때때로 이용된다. 충전 펄스 동안 전압 펄스가 해당 전류 펄스와 함께 적용된다. 충전 펄스 후에, 전압은 스위치 오프 되고, 전지는 로드 펄스를 위한 싱크(sink) 또는 로드에 연결되며, 전류는 반대방향으로 흐른다. 로드 펄스 시간 동안, 전지의 전압은 충전상태에 따라 강하한다.

최대 허용 충전 전류보다 높은 충전 전류를 적용함으로써, 전지에서의 에너지 저장은 최대 충전 전류를 적용할 때보다 빠른 속도로 일어난다. 이런 식으로 충전 중에 더 많은 이온들이 한 전극에서 다른 전극으로 이동되며, 그리고 나서 로드가 걸렸을 때 다시 반대로 이동한다. 최대 허용 충전 전류보다 높은 충전 전류로 장시간에 걸쳐 연속적으로 충전을 수행하면, 전지가 가열되고 안전 메커니즘(PTC, 퓨즈, 탈기 밸브, 밸런서)이 작동하여 충전은 중단된다. 연속 충전으로 인해, 한편으로는 전지의 내부 저항을 증가시켜 전지의 전압을 상승시키게 되는 덴드라이트(dendrite)가 전극에 계속 누적되게 된다. 다른 한편, 덴드라이트의 증가로 인해 가능한 충전 사이클의 수는 감소된다.

그러나 본 발명에 의하면, 충전 펄스 다음에 로드 펄스를 갖도록 하는 것이 제안된다. 상기 로드 펄스 동안, 전지는 에너지를 방출하기 때문에 전지에서 전류는 반대 방향으로 흐른다. 그래서, 충전 펄스 동안에 쌓인 잔류 자기는 그 다음의 로드 펄스 동안 약화된다. 로드 펄스는 충전 펄스 동안 누적된 덴드라이트 또는 결정을 제거하는 효과가 있다. 결정이나 덴드라이트는 캐소드(cathode)와 애노드(anode) 사이의 세퍼레이터(separator)에 구멍이 생기는 결과를 초래할 수 있으며, 그래서 최악의 경우 단락(short circuit)을 초래할 수 있다. 누적된 결정들은 로드 펄스로 인해 반복적으로 제거된다. 그래서, 그 다음의 충전 펄스 동안 전지는 과열되지 않고 허용 가능한 충전 펄스보다 더 높은 충전 펄스로 충전될 수 있다. 양의 펄스 동안의 더 높은 충전 전류로 인해, 종래의 충전 방법으로 충전하는 것보다 더 많은 에너지가 전지에 저장되게 된다. 그 다음의 로드 펄스는 덴드라이트의 형성을 해소시키며, 전지는 더 높은 충전 전류로 다시 충전될 수 있게 된다. 로드 펄스의 높이는 충전 펄스의 높이보다 낮다. 또는, 다시 말하면, 로드 펄스 동안의 절대 암페어는 더 작다. 그래서, 세퍼레이터의 채널들은 이온 교환을 위해 플러싱 되지만, 더 높은 충전 전류 때문에 증가된 양의 에너지는 전지 내에 남게 된다.

본 발명에 의한 짧은 고 충전 전류들 및 후속하는 로드 펄스들로 인해, 세퍼레이터는 포맷된다. 상기 로드 펄스들의 높이는 세퍼레이터의 플러싱 레벨을 조절하기 위한 수단이다. 상기 로드펄스들이 작을수록, 즉 로드 전류가 작을수록 상기 플러싱 효과가 작아진다. 상기 로드 펄스들의 지속시간은 특히 방전의 양에 영향을 준다. 즉, 매우 높은 로드 전류이지만 매우 짧은 지속시간의 로드 펄스로 할 경우에, 짧은 지속시간 때문에 에너지 방출량을 적게 하면서 플러싱 효과는 달성된다.

플러싱 효과는 한편으로는 전극 중 하나에 리튬 또는 이온이 불균일하게 분포하거나 누적되는 것을 방지한다. 또한, 짧은 충전 펄스들 그리고 로드 펄스들 때문에 전지의 온도가 임계치에 도달하는 것이 방지된다. 양 방향 전류 펄스가 짧기 때문에 전극의 온도가 현저하게 증가될 수 없다. 또한, 전극들에서 있을 수 있는 온도 상승은 펄스들 사이 동안에 다시 감소될 수 있다. 온도의 치명적인 상승은 전극들에서의 불균일한 저항 분포의 결과를 낳을 것이며, 그래서, 궁극적으로는 전극들에서 리튬은 불균일하게 쌓일 것이다.

전지에서 터미널 러그(terminal lug)들은 통상적으로 서로 대각선으로 배치된다, 즉, 전극에서의 라인 저항들은 다르며, 특히 와인딩된 전지(wound cell)에서 그러하다. 길고 낮은 충전 전류에 대해, 특히, 또한, 느리게 펄스되는 충전 전류에 대해, 리튬 이온들은 가장 작은 저항 방향으로 이동하려고 한다. 다시 말하면, 이온들은 반대 전극으로 가는 가장 짧은 루트로 이동하지 않고 반대 극의 터미널 러그로 직접 이동하려고 한다. 이로 인해, 전극들에 리튬이 불균일하게 누적되게 될 것이다. 전극들에서의 불균일한 리튬 누적으로 인해, 그 전극 표면 전체에서의 화학 반응이 더 이상 달성될 수 없기 때문에, 전지의 수명이 감소되고 용량이 감소되는 결과가 초래된다.

그러나 증가된 충전 전류를 가지는 짧은 충전 펄스들로 인해, 또한, 로드 펄스들로 인해, 이온들은 가장 작은 저항의 경로를 찾을 시간을 갖지 못하고, 전극들 사이의 가장 짧은 루트를 선택할 수밖에 없게 되며, 그래서, 전극 길이 전체에서 이온 교환이 일어날 수 있고, 리튬은 전극들 사이에서 균일하게 누적된 상태로 남는다.

바람직하게는, 충전 펄스 동안 충전 전류는 전지의 공칭 충전 전류의 1.5배 이상인데, 예를 들면, 최대 허용 충전 전류의 2배 또는 3배 이상이다. 충전 전류는 최대 허용 충전 전류의 5배까지 가능하다. 펄스 충전 과정 동안 공급되는 그 충전 전류 I_L / 그 방전 전류 I_Last (또는 로드 전류)는 전류 흐름 방향 양쪽 모두에서 그 전도도가 온도에 따라 달라지는 PTC에 의해서만 제한된다. 전지의 설계에 따라, PTC는 최대 허용 충전 전류 I_Lmax의 5배 또는 10배의 전류에 상응하도록 만들어진다. 더 강한 전류가 흐르면, PTC는 그 전류 흐름을 차단할 것이다.

특정 충전 시간 및 그에 상응한 충전 펄스들의 수만큼 적용된 이후에, 전압 U_Z는 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달하거나 또는 U_Lmax를 초과한다. 미국 특허번호 제5,481,174호와 같은 종래 충전 방법의 경우, 전류는 이제 제한될 것이다. 그러나 본 발명의 충전 방법을 이용하는 경우에는, 충전 종단 전압 U_Lmax 에 도달한 후에 그 해당 충전 펄스에서의 전류 레벨이 감소된다. 전류 레벨의 그러한 감소는 충전 장치에 의해 처리되는 충전 프로그램에 의해 수행된다.

펄스 충전 동안에 전지 전압 U_Z가 더 증가하는 것을 방지하기 위하여, 전류는 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달한 그 충전 펄스 동안에 재빨리 감소된다.

본 발명의 일 측면에 의하면 펄스 충전 방법은: 충전 펄스들 동안 충전 전류 I_L이 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax의 5배까지 초과하며 상기 전지를 충전하는 펄스 충전 단계; 및 상기 충전펄스들보다 짧게 형성된 로드 펄스들에 의해 충전 펄스들 사이에서 상기 전지가 방전되는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 적용 가능한 충전 및/또는 로드 펄스들의 최대 개수 m_Max는 미리 설정되며, 그리고 상기 충전방법은 상기의 기 설정된 숫자 m_Max에 도달할 때 종료된다. 위에서 언급된 장점들 이외에, 충전 펄스들 동안 전류 레벨을 감소시키거나 또는 충전 전류를 지속적으로 감소시킴으로써 전지에 저장된 에너지 양이 그 요구 시간에 비해 작게 유지되기 때문에, 충전시간이 불필요하게 연장되지 않는 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 적어도 하나의 리튬 이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법은: 충족되면, 충전펄스 동안에 충전 전류가 상기 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax 을 5배까지 초과하며 충전하는 펄스 충전 방법이 시작되게 되는, 적어도 하나의 기 설정된 조건이 충족되었는지 여부를 체킹하는 단계; 및 상기 충전펄스들보다 짧은 상기 로드 펄스들로 상기 충전 펄스들 사이에서 상기 전지가 방전되는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 기 설정된 조건들은; 로드 펄스 동안 전지 전압 U_Z이 적어도 전지의 방전 종단 전압 U_EL과 일치하는지; 및 펄스 충전 방법의 시급한 실행을 지시하는 외부의 시그널이 존재하는지 중 적어도 하나를 포함한다.

이러한 조건들 중 하나에 기초하여, 한편으로는, 펄스 충전 방법은 오직 특정 조건하에서만 시작되도록 보장받는다. 펄스 충전 방법은 고속 충전 방법을 나타내기 때문에 전지는 적어도 기 설정된 기본 기준을 만족해야 되는데, 예를 들면, 전지는 심방전 상태 또는 다른 임계 상태가 아니어야 한다. 다른 한편으로는, 조건들은 펄스 충전을 요청하는 어플리케이션이나 제어 장치에 의해 만족되어야 한다. 예컨대, 주유소에서 전기차를 고속 충전하는 경우, 고속 충전을 요구하는 외부 시그널이 존재하여야 한다.

본 발명의 다른 한 측면에 의하면, 적어도 하나의 리튬 이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법은: 충전 펄스들 동안 충전전류 I_L은 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax의 5배까지 초과하며 상기 전지를 펄스 충전하는 단계; 및 충전 펄스들보다 짧은 로드 펄스들에 의해 충전 펄스들 사이에서 전지가 방전되는 단계를 포함하며, 여기서, 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달한 후에 충전 펄스들의 지속시간(duration)이 감소된다.

이것은 충전 펄스 동안 충전 전류가 저감되는 것을 적어도 후속하는 충전 펄스들에 대해서는 회피할 수 있다는 장점이 있다. 과도 충전 전류 I_L가 짧아진 충전 펄스들 동안 유지되는데, 그렇지 않으면, 감소된 충전 전류를 가지는 충전 펄스들의 그 지속시간으로는 최적으로 활용되지 못할 것이기 때문에, 충전 프로세스가 지연될 것이다. 과도 충전 전류가 적용되는 그 충전 펄스의 지속시간은 감소되기 때문에, 과도함에도 불구하고 그 충전 전류의 활용이 보장된다. 그 결과 특히 충전 프로세스에서 더욱 짧게 할 수 있는데, 이는 과도 전류로 펄싱(pulsing)하는 것이 가능한 한 오랫동안 계속되며, 충전 펄스를 짧게 하는 것에 의해 전지에서의 전압 상승을 막는 것이 더 이상 가능하지 않을 때까지 충전 전류는 감소되지 않기 때문이다.

본 발명의 일측면에 의하면, 적어도 하나의 리튬 이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법은: 충전 펄스 동안 충전 전류 I_L는 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax의 5배까지 초과하며 충전이 이루어지는 펄스 충전 단계; 및 충전 펄스들보다 짧은 로드 펄스들을 이용하여 충전 펄스들 사이에서 상기 전지를 방전하는 단계를 포함하며, 로드 펄스 이전 및/또는 이후의 전압 공급은 충전된 전지의 개수 또는 용량에 따라 다른 기 설정된 휴지 기간 동안 스위치 오프 되거나 또는 충전 전류가 공급되지 않는다.

상기 휴지 기간은 로드 펄스 동안에 방전 전류를 조절하거나, 또는 충전 펄스 동안에 충전 전류를 조절할 수 있는 시간을 전지에 허용한다. 충전 펄스 전압을 스위치 오프한 후 / 로드 펄스 로드를 스위치 오프한 후, 전류의 방향은 역방향이 된다. 전지에 스트레스가 가해지는 것을 피하기 위해, 로드 펄스 전과 후에 휴지를 위한 일시 정지 구간이 적용된다.

바람직하게는, 상기 기 설정된 휴지 기간은 터미널 엘리먼트에 연결되어 있는 충전될 전지들의 숫자가 증가됨에 따라 증가한다. 터미널 엘리먼트에 병렬로 연결된 전지의 개수가 증가하면, 그 터미널 엘리먼트를 흐르는 전류는 증가한다. 전류가 증가하면 전류 방향 역전에 대한 펄스들 사이에서의 휴지 구간도 더 길게 필요하게 된다. 충전 펄스들과 로드 펄스들 사이에 휴지 구간들이 없다면, 로드 펄스들 동안 방전 전류는 완전한 효과를 내지 못할 것이며, 전지 또는 몇 개의 전지들로 구성된 저장 모듈에서 전압은 평형에 도달할 수 없을 것이다. 그래서, 전압은 반대방향으로 강제될 것이다. 충전 펄스들과 로드 펄스들 사이에 휴지 구간을 삽입함으로써, 이러한 불리한 면들이 회피된다.

바람직하게는 터미널 엘리먼트에서 전지들의 개수는 최대 5개로 제한된다.

펄스-충전 단계는 특히 적용 가능한 충전 및/또는 로드 펄스의 기 설정된 최대수 m_Max에 도달하게 되면 종료하게 된다.

충전 종단 전압 U_Lmax에 도달 후에 충전 펄스의 지속시간을 짧게 하는 것은 모든 실시예들, 즉, 최대 개수를 제한하는 것 및/또는 펄스-충전을 위한 조건들이 충족되었는지 체킹하는 것과 조합될 수 있다.

충전 전류가 공급되지 않는 로드 펄스 이전 및/또는 이후에 휴지 기간들을 이용하는 것은 또한 모든 실시예들과 조합될 수 있다. 여기서, 유지 기간의 지속 시간은 충전될 전지들의 개수 및/또는 용량에 따라 달라진다.

바람직하게는 전류 충전 펄스의 충전 전류 I_L의 레벨은 충전 펄스들 동안의 측정 전압들에 따라 설정되는데, 충전 펄스 동안의 전압 U_Z가 종단 충전 전압 U_Lmax에 도달하면, 다음 충전 펄스의 지속시간은 감소된다. 바람직하게는, 충전 종단 전압 U_Lmax가 충전 펄스 동안 도달하게 되면, 충전 전류 I_L은 그 전류 충전 펄스 동안 감소하게 된다.

예시적인 하나의 실시예에서, 로드 펄스 동안의 방전 전류 I_LAST 와 충전 펄스 동안의 충전 전류 I_L의 비는 1:16이다. 그러나 실질적으로 더 높은 방전 전류 I_LAST를 적용하는 것도 가능한데, 충전 전류 I_L의 50%이거나 또는 예외적인 경우에 매우 짧은 로드 펄스들에 대해서 충전 전류 I_L의 심지어 100%인 전류를 적용하는 것도 가능하다. 짧은 로드 펄스들은 전지로부터 방출되는 에너지가 단지 충전 펄스 동안에 전지 안으로 저장된 에너지라는 효과가 있다. 세퍼레이터에서 플러싱 효과가 개선된다는 것이 분명해지는데, 특히 매우 높은 방전 전류 I_LAST의 경우 그러하다. 즉, 방전 전류/ 로드 펄스의 레벨 및/또는 지속시간은 연속하는 로드 펄스들에서 다를 수 있다.

바람직한 실시예에서, 충전 펄스 밖에서, 바람직하게는 충전 펄스 동안에, 전지가 종단 전압 U_Lmax에 도달하는지의 여부를 판정하기 위하여, 전지의 전압 U_Z은 적어도 충전 펄스들 밖에서 측정된다. 이에 더하거나 또는 대안적으로, 하나 또는 복수의 전지의 상태에 관한 추가 정보를 얻기 위해서 전지의 전압이 계속적으로 또는 주기적으로 측정되며, 만약 전지 전압이 기 설정된 값을 초과하면 충전 작업은 종료되거나 일시 중단된다. 전지에서의 전압이 기 설정된 전압을 초과하여 상승하면, 전지는 비정상을 포함한 것이며, 이는, 충전 전류 레벨 또는 로드 전류 레벨을 조절하거나 또는 극단적인 경우에 전지를 식히기 위해서 충전 과정을 종료시키거나 일시 중단시킴으로써 추가 충전 동안 반드시 고려되어야 한다. 전지의 상태를 판단하기 위해, 전지에서의 전압의 측정이 적어도 하나의 로드 펄스 및/또는 충전 펄스 동안에 수행된다. 바람직한 실시 예에서, 전압 측정은 모든 로드 펄스 동안 수행된다. 전압 측정은 로드가 걸린 상태에서만 전지의 상태를 현실적으로 말해 줄 수 있기 때문에, 전압은 로드 펄스들 동안 측정된다. 전압은 로드 펄스의 끝에서 측정되면 특히 유리한데, 이는 그때 전지가 가장 안정된 상태에 도달되기 때문이다. 즉, 전압은, 로드 펄스가 그 최대점을 벗어나기 전에 그리고 전류 흐름이 0이 되기 전에, 측정된다. 로드가 없는 상태에서는 전압은 극단적으로 상승하고 전류는 없어지기 때문에, 로드 없는 상태에서의 전압 측정은 로드 상태에서는 더 이상 달성될 수 없는 전압 값을 얻는 결과가 될 것이다. 충전 펄스들 및/또는 로드 펄스들, 특히 그 높이나 지속시간을 더 잘 제어하기 위해서, 특히, 상승 방향으로의 전압 이탈을 감지하거나 종단 전압에 이미 도달했는지 여부를 검출하기 위해서, 충전 펄스 동안의 전지의 전압 또한 측정되는 것이 유리하다.

바람직하게는, 충전펄스 동안 충전전류 I_L 은 상기 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax 의 1.5배 이상이며, 바람직하게는, 최대 허용 충전 전류 I_Lmax의 두 배이거나 또는 그 이상이다.

특히 충전 펄스 동안의 충전 전류 I_L의 레벨 및/또는 로드 펄스 동안 방전 전류 I_LAST의 레벨은 전지의 상태 및/또는 전지의 내부적 저항 및/또는 전지의 온도에 따라 설정된다.

하나의 유리한 실시예에서, 연속되는 충전 펄스들에서의 충전 전류 I_L의 레벨 및/또는 연속적인 로드 펄스들에서의 방전 전류 I_LAST의 레벨은 변경된다. 즉, 전류 레벨은 각각 전지의 상태에 적합하게 조정된다. 여기서, 전지의 상태를 판단하기 위해 전압 측정 및/또는 온도 측정이 이용될 수 있다. 특히, 충전 동작은 전지가 특정 온도값에 도달하게 되면, 종료되거나 중단된다. 다음 로드 펄스에 대한 방전 전류 I_LAST의 레벨은 전압 측정값에 따라 설정될 수 있다.

하나의 유리한 실시예에서, 로드 펄스의 길이 t_EL는 충전 펄스 길이 t_L의 약 1/3정도이다. 상기 로드 펄스의 지속시간은 상기 로드 전류 레벨에 따라 다르다. 이로써, 로드 펄스 동안보다 충전 펄스 동안에 더 높은 전류가 공급될 뿐만 아니라, 로드 펄스 동안보다 충전 펄스 동안에 더 높은 전류가 더 길게 공급되는 것이 보장된다. 충전 펄스에 대해 3/4 그리고 로드 펄스에 대해 1/4로 적용하는 비율이 가능하다. 그러나 로드 펄스는 너무 길게 유지되면 안 되는데, 이는 전지의 충전이 불필요하게 길어지기 때문이다. 바람직한 실시예에서, 상기 펄스들의 시간과 그들 각각의 비율은, 특히, 충전 장치의 입력 장치를 통하여 설정될 수 있다.

바람직하게는, 기 설정된 n개의 로드 펄스의 수가 도달되어, 측정된 전압 U_Z가 전지의 충전 종단 전압 U_Lmax의 값과 일치하게 되면, 전지 충전은 종료된다. 여기서, 상기 n은 바람직하게는 1일 수 있다. 다시 말하면, 전압 U_Z가 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달한 후에 펄스 충전은 완료된다.

또한, 이러한 요구조건을 충족하기 위하여, 적어도 하나의 리튬 이온계 리차져블 전지를 충전하기 위한 장치가 위에서 기술한 방법을 실행하기에 적합하게 만들어진 컨트롤러를 포함하여 제안된다.

바람직하게는, 하나의 싱크가 로드 펄스 동안 전지를 방전하기 위하여 제공되는데, 이 싱크는 로드 펄스의 시간(기간)과 높이를 조절할 수 있다. 이를 위해, 예컨대, 로드 펄스에서 충전되거나 및/또는 충전 펄스에서 방전되는 적어도 하나의 캐퍼시터가 이용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 장치는: 충전 프로세스를 위한 다양한 파라미터를 저장하기 위한 하나의 메모리; 측정된 값들을 출력하는 하나의 디스플레이, 충전프로세스에 수동적으로 영향을 주고, 기 설정된 값을 입력하기 위한 입력 장치; 지속적으로 또는 주기적으로 전지의 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서, 적어도 하나의 리튬 이온계 리차져블 전지를 포함하는 저장 모듈, 및 펄스 충전 프로세스 동안 충전 펄스들 및/또는 로드 펄스들을 기록하기 위한 카운터를 추가로 포함하여 구성된다.

바람직하게, 전지는 두 개의 양의 충전 펄스들 사이에서 하나의 로드 펄스에 의해 방전된다. 앞서 기술한 바와 같이, 이것은 덴드라이트를 감소시킨다. 그러나 두 개 또는 그 이상의 충전 펄스 이후까지 로드 펄스가 발생하지 않고 두 개의 충전 펄스들 사이에 단지 휴지 구간(pause)만이 있는 것과 같은 다른 충전 패턴도 가능하다. 그러나 이것은, 충전 펄스들 동안의 충전 전류는 모든 충전 펄스들 사이에 로드 펄스가 뒤따를 때만큼 상당히 높을 수 없기 때문에, 충전 시간에 영향을 준다. 즉, 충전 상태가 증가함에 따라, 로드 펄스의 높이가 잔류 자기를 줄이기 위해서 증가할 수 있다. 충전 펄스들 또는 로드 펄스들의 높이 및 시간(기간)을 적합하게 설계함으로써, 외부 온도 영향에 대응하는 것과 같이 충전 프로세스 동안에 특이 상황에 대응할 수 있다. 또한, 충전 펄스 및/또는 로드 펄스들 동안 전압의 추세 이탈이 발생할 수 있으며, 이로 인해 리튬이 불균일하게 쌓이거나 전극들이 일시적으로 뜨거워질 수 있다.

만약 충전 펄스 동안 전압 측정이 전압 추세 밖으로의 전압 상승을 나타낸다면, 이것은 충전 동안의 비정상을 의미할 수 있으며, 예를 들면, 전지의 내부 저항 증가의 원인이 되는 덴드라이트의 누적 또는 온도 상승을 의미할 수 있다. 이 전압 증가를 상쇄시키기 위해, 다음 충전 펄스의 높이는 이전 충전 펄스에 비해 감소될 수 있다. 즉, 전지의 전압이 급격히 증가하면, 다음 충전 펄스의 전류는 감소된다. 바람직하게는, 약 50% 감소되며, 그래서, 이전 충전 펄스에서 2배 크기의 충전 전류에 대해 큰 허용 충전 전류로서 단지 한 번 충전 펄스에 대해 충전이 이루어진다. 바람직하게는, 그 다음 로드 펄스 또는 이러한 감소된 충전 펄스 이후 뒤이어 발생하는 로드 펄스 또한 이전 로드 펄스에 비해 50% 감소될 수 있다. 상기 로드 펄스 동안 측정된 전압으로부터, 다음의 양의 충전 펄스 또한 감소되어야 할지, 또는 증가된 충전 전류로 다시 한번 수행될 수 있을지를 파악할 수 있다. 만약 감소된 로드의 그 로드 펄스 동안에 전압이 다시 기 설정된 허용 범위 내에 있는 경우, 그 다음의 양의 충전 펄스는 이전에 적용된 증가된 충전 전류로 다시 수행될 수 있다. 그리고 나서, 전지를 짧게 방전하고 증가된 충전 전류를 가지는 그 다음의 양의 충전 펄스에 대해 준비시키기 위해, 그 다음 로드 펄스 또한 이전에 적용된 로드로 수행될 수 있다. 충전 전류 또는 방전 전류를 줄임으로써, 예를 들면, 전극들의 온도가 감소될 수 있다.

예를 들면, PTC의 결함이나 전지의 과도한 내부 저항 수준으로 인해, 전극들이 너무 가열되었기 때문에, 전지의 전압은 증가할 수 있다. 상기 전지의 상기 전압이 다시 기 설정된 전압 추세로 돌아올 때까지, 바람직하게는, 방전 펄스들과 로드 펄스들 모두 감소된다.

더욱 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 로드 펄스 동안 측정된 전압이 전지의 충전 종단 전압에 상당하게 된 뒤에, 전지 충전은 중단되게 된다.

전압이 상승하면 전지의 잔류 자기 또한 증가하며 이 경우 방전을 위한 로드 펄스들의 크기가 커야 하기 때문에, 만약 100% 전지 충전이 도달되기 전에 마지막 로드 펄스들의 크기가 이전의 로드 펄스들보다 25% 더 크면 특히 유리하다. 이와 달리 또는 이에 더하여, 만약 상기 로드 펄스 동안의 상기 전압이 충전 종단 전압에 도달하게 되면 다음 충전펄스의 전류는 감소된다. 바람직하게는, 다음 로드 펄스에 대해 충전 종단 전압이 안정적으로 유지될 때까지 다음 충전펄스에서 전류는 절반 정도로 감소된다. 그리고 나서, 전지의 충전은 100%가 된다.

모든 방법의 단계들 마다, 지속적이거나 또는 규칙적으로 전지의 온도를 측정하는 것은 이롭다. 이것은 충전될 전지가 충전하는 동안 정상적인지 아닌지에 대한 추가 정보를 제공한다. 온도가 기 설정된 제한 값들 이하로 유지되는 동안, 충전단계는 지속된다. 기 설정된 제한 값들 아래에서의 온도 상승은 상기 충전펄스들의 지속시간과 높이를 줄임으로써 대응할 수 있다. 상기 온도는 적어도 충전펄스 / 로드 펄스 동안 모니터링 되는 것이 바람직하다. 만약 기 설정된 온도(T_max)가 기 설정된 시간 동안 초과되는 경우, 예를 들면 하나 또는 그 이상의 충전펄스들에 대해 45°C를 초과하면, 전지의 충전 작업은 중지되어 종료된다. 고-에너지 전지들(high-energy cells)과 고-전류 전지들(high-current cell)에 대한 임계 온도는 47-48°C이다.

현재까지 설명된 것은 특히 충전펄스 단계에 관한 충전 방법이다. 전술하여 설명한 충전 펄스 단계는 전지 충전 동안 많은 시간을 단축하는데 도움이 된다. 본 발명에 따르는 충전 방법에 의하면, 전지를 가열하거나 영구 손상시키지 않으면서, 충전 시간을 일반적인 충전 시간보다 20% 내로 단축 시킬 수 있다. 높은 충전 펄스들과 로드 펄스들 사이에서의 짧은 전환은 전지가 임계 온도 이상으로 상승하는 것을 방지하며, 이로써, 전자들의 저항은 일정하게 유지되어 리튬의 불균일한 분포를 해소한다.

아래에 설명될 충전 준비 단계가 전지를 활성화 시키기 위해 이용된다. 심방전된 전지들을 펄스 충전 과정을 위해 천천히 준비시키는 것이 특히 중요하다. 그러나 충전 준비 단계를 이용하는 그것만으로도 리튬-이온 전지들의 충전 동안 많은 개선을 낳는다.

베터리들은 일반적으로 병렬 또는 직렬로 연결된 몇 개의 전지들로 구성된다. 이러한 종류의 파워팩들(power packs)과 배터리들에는 일반적으로 전지들의 심방전을 막는 밸런서가 포함된다. 종래의 전지들의 경우 만약 그 용량의 30%가 아직 남아있다면 전지가 “방전”되었다고 말한다. 만약 전지들이 30%보다 더욱 심하게 방전되었다면, “심방전(deep discharge)”이라고 말한다. 이것은 밸런서(balancer)의 결함이나, 전지들이 극도로 낮은 온도에서 로드되거나 또는 방전상태로 매우 낮은 온도들에서 보관되는 경우 발생할 수 있다.

그것이 바로, 충전 프로세스를 더 개선하기 위해, 펄스 충전 전에 충전 준비 단계가 수행되는 이유이다. 상기 충전 준비 단계는; 상기 전지의 전압 U_Z를 로드 없이 측정하는 단계, 충전 전류 I_L의 레벨을 측정된 U_Z에 따라 설정하는 단계, 충전 전류 I_L의 증가를 기 설정된 시간 t_A에 대해 설정하는 단계, 기 설정된 시간 t_A 동안 상기 설정된 충전 전류 레벨까지 선형적으로 상승하는 제1 선형 상승 구간 내에서 충전 전류로 전지를 충전하는 단계를 포함하되, 상기 충전전류 I_L은 그것의 피크점에서 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax에 해당하며, 상기 설정 충전 전류 레벨에 도달한 후 상기 전지의 전압 U_Z은 기 설정된 로드 하에서 측정되며, 그리고 상기 제1 선형 상승 구간은 로드 하에서 측정된 상기 전지의 전압 U_Z에 따라 한 번 또는 몇 번 반복된다.

바람직하게는, 제1 상승 구간 이후에, 만약 상기 전지의 측정된 전압 U_Z 가 제1 임계값 위이며, 제2 임계값 아래에 있다면, 전지의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax 보다 큰 충전전류 I_L를 가지고 제2 선형 상승 구간이 수행된다. 특히 로드하에서의 전지 전압 U_Z가 기 설정된 최소 전압에 도달했는지 여부가 측정되며, 상기 기 설정된 최소 전압, 예컨대 방전 종단 전압에 도달한 후에 펄스 충전 단계가 개시된다.

위에서 언급한 대로, 상기 충전 준비 단계는 로드 없이 상기 전지의 전압을 측정하는, 다시 말하면, 이전 공급 전류 없이 측정하는 제1 측정을 포함한다. 만약 상기 전지에 전압이 측정되지 않으면, 결론적으로 전지에 결함이 반드시 있다는 것이다. 이제 측정된 전압에 따라 충전 전류의 레벨이 설정된다. 충전 준비 단계 동안 상기 충전 전류 레벨은 제1 상승 구간에 대해 최대 허용 충전 전류 레벨까지 제한된다. 또한, 충전 전류가 0 또는 낮은 시작 값에서 특정 충전 전류 레벨까지 상승하도록 그 상승과 시간이 설정된다. 만약 상기 전압 측정이 아주 낮은 값을 나타내면, 예컨대 최대 허용 충전 전류의 50%가 제1 상승 구간에서 적용되는 것이 바람직하다. 더 낮은 전압일수록 제1 상승 구간에 대한 시간이 더 길게 설정되어야 하며, 다시 말하면, 상기 충전 전류의 증가량은 낮은 전압일수록 작아야 한다.

다음으로, 제1 선형 상승 구간에서 설정된 충전 전류 레벨 예컨대 1A까지, 기 설정된 시간 예컨대 1분 동안, 특정 충전 전류로 충전이 수행된다. 여기서, 충전 전류는 그 최대치에서 전지의 최대 허용 충전 전류에 해당한다. 이러한 충전은 전지를 활성화 시키기 위해 이용되며, 이로써 이온들은 하나의 전극에서 다른 전극으로 천천히 이동하기 시작한다. 설정된 충전 전류 레벨까지 도달한 후에는 충전 전류의 공급 없이 일시적인 휴지 구간을 갖는다. 여기서 전지의 전압은 일찍 측정될 수 있다. 그리고 나서, 전지 전압이 기 설정된 로드에 대해 측정된다. 상기 기 설정된 로드는 펄스 충전 단계에서의 로드 펄스와 유사하거나 같다. 또한, 전류 공급이 없는 일시적 휴지가 전압 측정을 위해 충전 펄스의 전 및/또는 후에 삽입될 수 있다. 로드 하에서 측정된 전지의 전압에 따라, 제1 상승 구간이 반복된다. 만약 로드 하에서의 전압이 아직 요구값을 나타내지 않는다면 반복이 중요하다. 예를 들며, 만약 제1 상승 구간 뒤에 전지의 방전 종단 전압에 아직 도달되지 않는다면, 제1 상승 구간은 반복된다. 최대치에서 공칭 충전 전류에 해당하는 충전 전류를 가지는 제1 상승 구간은 전지 타입과 상태에 따라 여러 번 반복될 수 있다. 로드 하에서의 전지 전압이 방전 종단 전압을 5% 이상 초과한다면, 바람직하게는 공칭 충전 전류보다 높은 기 설정된 충전 전류까지 선형적으로 상승하며 충전이 이루어지는 제2 상승 구간이 수행될 수 있다. 예를 들면, 공칭 충전 전류의 2배까지 상승하는 제2 상승 구간 동안 전지의 충전이 이루어질 수 있다. 제2 상승 구간의 끝에서 전지의 전압은 로드 하에서 다시 측정된다. 만약 전압이 펄스 충전 구간에 적합한 기 설정된 값에 도달하면, 충전 준비 단계는 완료된다. 만약 한 번 또는 수 회의 제1 충전 준비 구간 후에 방전 종단 전압에 도달한다면, 제2 상승 구간은 생략될 수 있다.

이제 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 일반적으로 이용되는 리튬 이온 전지의 구조이다.
도 2는 와인딩 상태에 있는 리튬 이온 전지이다.
도 3은 고-에너지 전지를 위한 본 발명의 충전 방법의 전류 시그날 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 10개의 고-에너지 전지들로 구성된 저장 모듈에 대한 본 발명을 따르는 펄스 충전 방법의 시작 지점의 전류와 전압 특성을 도시한 도면이다.
도 5는 10개의 고-에너지 전지들로 구성된 저장 모듈에 대한 본 발명을 따르는 펄스 충전 방법의 끝 지점에서의 전류와 전압 특성을 도시한 도면이다.
도 6은 10개의 고-에너지 전지들로 구성된 저장 모듈에 대한 본 발명을 따르는 펄스 충전 방법의 전류와 전압 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 충전방법에 대한 흐름도를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 충전 준비 단계에 대한 흐름도를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예의 충전 준비 단계 동안의 시그널 특성의 일례를 도시한 것이다.
도 10는 본 발명을 따르는 펄스 충전 방법을 적용한 충전 장치의 구조를 대략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 의하는 적응 펄스 충전 방법이 사용된 저장 모듈을 도시한 도면이다.

도 1은 캐소드 및 애노드를 포함하는 리튬 이온 전지의 구성을 도식적으로 나타낸다. 충전 작업 동안, 리튬-이온들은 양의 전극에서, 예를 들어, 리튬 그래파이트(lithium graphite)로 코팅된, 음의 전극으로 이동한다. 방전 작업 동안, 리튬-이온들은 음의 전극에서 다시 양의 전극으로 이동한다. 그 두 전극들은 세퍼레이터에 의해 서로 분리되어 있는데, 여기서, 리튬-이온들은 그 세퍼레이터를 통하여 이동한다.

리튬-이온 전지는 다른 리차져블 전지에 비하여 메모리 효과가 없으며 셀프-방전이 매우 낮다는 것이 특징이다. 리튬-이온 전지의 공칭 충전 종단 전압은 3.6V의 공칭 전압에 근거하여 대략 4.2V이다. 리튬-이온 전지는, 예컨대, 리튬 폴리머 전지들(lithium polymer cells), 리튬 황산제일철 전지들(lithium iron sulphate cells), 리튬 그래파이트 전지들(lithium graphite cells), 그리고, 리튬 코발트 전지들(lithium cobalt cells)을 포함한다.

도 2는 와인딩 상태의 리튬-이온 전지를 나타낸다. 애노드(21)과 캐소드 (22)는 서로 반대측에 놓여지며 세퍼레이터(23)에 의해 서로 분리되어 있다. 전극들(21, 22) 상의 터미널 러그들(24, 25)은 서로 대각적으로 반대측에 위치한다. 말하자면, 전극들에서의 전기적 저항은 그 라인 길이가 증가함에 따라 증가한다. 그래서, 전극들에서의 전기 저항은 터미널 러그까지의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 따라서, 리튬-이온들은 양의 전극에서 음의 전극으로 이동할 때 가장 적은 전기 저항의 경로를 택하려고 노력하는데, 여기서, 그 저항은 바로 반대측에 있는 전극에 의해 형성된 것이 아니라, (27로 지시되는) 전극들 사이에서 그 전지를 거쳐 위치된다. 전지의 공칭 충전 전류 I_Lmax보다 더 높은 충전 전류 I_L을 가지는 짧은 충전 펄스들로 인해, 리튬-이온들은 가장 적은 전기 저항을 가지는 경로를 탐색할 시간없이 다른 전극으로 재촉된다. 결과적으로 세퍼레이터(23)가 형성되어 두 반대 전극들(21, 22) 사이에서 균일한 이온 교환을 허용한다.

또한, 충전 펄스가 시간적으로 제한되어 있을 뿐만 아니라 로드 펄스가 있기 때문에 전극들(21,22)의 온도 상승이 방지되는데, 만약 그렇지 않으면, 전극들의 내부 저항 증가를 발생시킬 것이고, 이는 다시 불균일한 저항 분포를 초래할 것이며, 그로 인해, 한편으로는 전극들의 온도를 더 상승시키고 다른 한편으로는 전지 내에서의 리튬 분포를 변화시켜 리튬의 불균일한 분포를 초래하는 결과가 될 것이다. 리튬이 불균일하게 쌓이면, 전극들 사이에서 활용할 수 있는 완전한 화학 반응 표면을 더 이상 갖지 못하게 하는 결과를 낳고, 그래서, 최대 허용 충전 사이클을 감소시키는 결과를 초래할 것이다. 다른 한편, 만약 리튬이 전극들 중 하나에서 불균일하게 쌓여 성장하면, 세퍼레이터는 어느 시점에 도달하여 구멍이 생길 것이며, 그로 인해 단락(short circuit)이 발생할 것이다. 짧은 충전 펄스들 또는 로드 펄스들은 이를 해소하는 효과가 있으며, 특히 중요하게는 온도의 과도한 상승을 방지한다. 도면 부호 27은 전기 저항의 최소 경로를 택하려는 리튬 이온들의 경로를 나타낸다. 전지가 짧은 충전 펄스들로 충전되지 않았거나 로드 펄스들로 방전되지 않았다면, 리튬 이온들은 도면 부호 27로 표시된 경로를 취하려고 할 것이며, 이로 인해, 전극들에서 리튬은 불균일 하게 분포되게 될 것이다.

도 3은 단일 전지에 대한 충전 준비 단계와 적응 펄스 충전 단계를 가지는 본 발명을 따르는 충전 방법의 시그널 특성을 시간에 따라 나타내고, 여기서 보여지는 충전 방법은 예컨대 3.1Ah 용량의 고-에너지 전지에 대한 것이다. 이러한 종류의 전지는 충전 종단 전압 U_Lmax이 4.2V이며, 공칭 전류는 3.6V이다. 종단 방전 전압 U_EL은 2.5V이다. 최대 허용 충전 전류 I_Lmax는 대략 900mA 이며, 공칭 방전 전류는 약600mA이다.

이러한 충전 방법으로 전지는, 충전 전류가 1분 이내에 0에서 0.5A로 상승하는 제1의 상승 구간(33)을 포함하는 충전 준비 단계 동안 충전된다. 이와 같은 1분이 경과한 후에, 충전 작업은 2초 동안 중지되어 전지는 더 이상 충전 전류를 공급받지 않는데, 여기서, 전지의 전압이 처음엔 로드 없이 측정되고 그리고 나서 미리 정해진 로드를 가지고 측정된다 (시그널 특성은 도시되지 않았다). 2초가 경과하고, 전압이 2.5V의 방전 종단 전압을 초과하여 측정된 후에, 그 충전 준비 단계는 완료되고 펄스 충전 과정이 개시될 수 있다.

펄스 충전 단계에서, 양의 충전 펄스들(31)의 펄스 지속시간은 초기에 5초이며, 이때 로드 펄스들(32)의 지속시간은 1.3초이다. 이것은 하나의 일 실시예로 이해되어야 하며 위에서 언급된 범위들 내에서 변경될 수 있다. 로드 펄스들(32) 동안에, 전지는 300mmA의 로드를 받으며, 이때 전지의 전압 U_Z가 로드 펄스(32) 내에서 측정된다. 만약, 이 로드 동안에 전압이 4.2V 이상으로 되면, 충전 작업은 완료된다. 비록 도시되지 않았지만, 플러싱 효과를 높이기 위해서, 2.8A까지의 로드 전류들이 로드 펄스들 동안 인가될 수 있다.

본 발명에 따르는 충전 작업 동안에 전지 내에서 다음과 같은 일들이 발생한다: 충전 펄스들(31) 동안에 전지 안에 생긴 결정들은 전지의 세퍼레이터(23)를 손상시킬 수 있으며, 이로 인해 전하와 용량 둘 다를 손실시킬 것이다. 또한, 결정들은 전극들(21, 22) 사이에서의 이온들의 움직임을 방해하며, 결과적으로 전지 수명은 현저히 감소된다. 그러나 본 발명에 의하면 충전 펄스들(31) 사이에 놓이는 로드 펄스들(32)에서 이러한 결정들은 그 로드로 인해 다시 즉시 감소하기 때문에, 그 결정들의 상기와 같은 안 좋은 효과는 사라진다. 이는 본 발명에 의한 충전 방법의 주요한 하나의 장점이다. 도 3에 도시된 본 발명의 충전 방법에 따르면, 고-에너지 전지들에 대한 980mA의 최대 허용 충전 전류보다 대략 3배 정도 더 큰 충전 전류에 해당하는 2.8A의 충전 펄스들(31)이 각기 상기 펄스 충전 단계 동안 사용된다.

종래의 다른 충전 방법들에 있어서, 사용되는 충전 전류는 일정하게 유지되지만, 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달되면 낮아지게 된다. 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달되었을 때의 그러한 전류 싱킹(current sinking)으로 인해, 특히, 전지 용량의 나머지를 충전하기 위해 현저하게 더 높은 충전 시간이 요구된다. 더욱이, 종래의 충전 방법에 있어서, 전압은 충전 펄스들의 중단 동안에 측정된다. 로드 펄스들이 적용되지 않기 때문에, 세퍼레이터(23)를 손상시키는 결정들 또는 덴드라이트들은 제거되지 않는다. 이러한 결정들은 다시 제거되지 않는다는 사실 때문에, 종래 사용되는 충전 방법들에서는 최대 허용 충전 전류 I_Lmax를 초과하여 상승된 충전 전류를 결코 사용해서는 안 된다.

연속적으로 상승하는 전류를 충전을 위해 사용하는 충전 방법들이 있지만, 연속적으로 상승하는 충전 전류 I_L은, 특히 전지를 100%로 충전하려고 하는 경우에, 전지를 쇠퇴시키는 원인이 된다. 게다가 지속적으로 상승하는 충전 전류를 이용하는 충전 방법들의 경우, 상당한 온도 상승이 관찰되었다.

본 발명에 의한 충전 방법에 따라, 결정들 또는 덴드라이트들을 제거하기 위해 그리고 온도 상승을 해소 시키기 위해서 설정된 싱크(sink)가 로드 펄스(32) 동안 이용된다. 로드 펄스 동안 지속적으로 결정들과 덴드라이트들이 제거되기 때문에 높은 충전 전류를 활용할 수 있게 되며, 이로 인해 충전 시간을 현저하게 감소시킬 수 있다. 펄스들은 짧아서 과도한 온도 증가를 회피하며, 전지들이 높은 전류 값에도 불구하고 조심스럽게, 그리고 수명 손실 없이 충전되도록 보장한다. 더군다나 결정들이 존재하지 않기 때문에 자가 방전이 사실상 없으므로, 충전된 전지는 아이들(idle) 상태 또는 전기 연결되지 않았을 때 방전되지 않을 것이며, 따라서 퇴화되지 않고 저장 후 몇 년이 지난 후에도 여전히 최대치의 용량을 발휘할 것이다.

도 3은 충전 준비 간계 후에 개시되는 펄스 충전 단계에서의 전지 충전을 위한 충전 전류 특성이 도시되어 있다. 본 발명은 각 로드 펄스(32) 전 및/또는 그 이후에 휴지 구간 t_p1 및 t_p2를 삽입하는 것을 제안한다. 즉, 충전 펄스들을 위한 전압이 스위치 오프된 후에, 상기 전지를 통류하는 전류는 0으로 떨어진다. 휴지 구간 t_p1은 충전 펄스 후와 로드 펄스 전에 위치하며, 이 구간은 상기 로드 펄스 t_EL의 구간보다 짧으며, 예시적으로 바람직하게는 0.3 초이다. 로드 펄스들 후와 충전 펄스들 전에 위치하는 휴지 구간 t_p2는 도 3에 보이는 바와 같이 제1 휴지 구간 t_p1과 동일할 수도 있지만, 예컨대 0.5초로서, 제1 휴지 구간보다 다소 더 길 수도 있다. 전류는 전압을 따르므로 충전 전압이 스위치 오프 되더라도 즉시 0A로 떨어지는 것이 아니라 도 4 및 5 보이는 바와 같이 점진적으로 변하기 때문에, 휴지 구간으로 인해 전지는 전류 방향 전환에 대해 조절할 수 있는 기회를 갖게 된다. 이 효과는 도 3에는 도시되어 있지 않다.

제3 충전 펄스에서 상기 충전 전류 I_L의 감소(34)를 확인할 수 있다. 이 전류 감소(34)는 충전 펄스 동안 상기 전지의 전압이 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달할 때 발생한다. 이는 전지의 전압이 더 이상 증가하지 않는 효과를 낸다. 기존의 충전 방법들에서 후속 충전 펄스는 이제 감소된 충전 전류를 갖도록 발생할 것이며, 충전 종단 전압 U_Lmax에 다시 도달될 때마다 충전 전류는 점점 더 떨어질 것이다. 여기서의 중요한 단점은 상기 전지에 저장된 에너지가 지속적으로 감소된다는 점이다. 그 결과 충전 시간이 상당히 증가될 것이다.

본 발명은, 충전 종단 전압 U_Lmax 에 도달한 후에는, 후속 충전 펄스(35)의 지속시간은 짧게 할 것을 제안한다. 후속하는 충전 펄스들 동안에 증가된 충전 전류가 그 증가에도 불구하고 충전 시간을 줄이면서 이용되기 때문에 유리한 장점이 된다. 이는 몇몇의 방법들로 달성할 수 있다. 한편, 후속 충전 펄스(35)는 시간 t_d만큼 짧아질 수 있으며, 충전 전류는 이전 충전 펄스 동안에 작아졌다. 그러나 지속적으로 충전 펄스의 지속시간을 줄이는 것 또한 가능하다. 예를 들면, 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달하게 되면, 도시하지는 않았지만, 다음 충전 펄스(35)는 기 설정된 값 t_r만큼, 즉 0.2 초만큼 항상 감소될 수 있다.

도 4는 펄스 충전 방법이 시작될 때 전압과 전류의 특성을 나타내는데, 도면 윗부분에는 펄스 충전 동안의 전압의 특성을 나타내며, 아래쪽 부분은 전류의 특성을 나타낸다. 도 4 내지 6에서 각각의 파워팩은 도 11에 보이는 것처럼 10개의 전지들을 포함하여 구성된다. 도면에서 명백하게 볼 수 있듯이 펄스-충전 프로세스의 시작점에서 충전 펄스들 동안의 전압은 종단 충전 전압 U_Lmax(3.85-3.95V)보다 아래에 위치하는데(여기서, 전지 전압 U_Z은 로드 펄스들 동안 감소된다), 이는 상기 전지는 여전히 충전 프로세스의 시작점에 있으며 그리고 상기 전지의 전압은 3.5V범위 내에 있기 때문이다. 충전 펄스들 / 로드 펄스들 동안에 전류의 특성은 도 4 아래쪽에 도시되어 있다. 여기서 알 수 있듯이 파워팩에 있는 고-에너지 전지들은 충전 펄스들 동안 대략 28A로 충전된다. 고-에너지 전지에 대한 허용 충전 전류 I_L은 보통 0.9A인데, 다시 말하면, 파워팩에서 10개 전지들에 대해 9A의 전류가 흐른다. 그러므로 본 발명의 충전 방법에 의하면, 충전 전류 I_L은 충전 펄스 동안 대략 3배정도 더 큰 것이 이용된다. 충전 펄스들이 종료되고 충전 전압 U_L의 스위치가 오프되면, 로드 펄스가 인가되기 전에, 즉, 전지가 캐퍼시터나 저항과 같은 싱크와 연결되어 전류의 흐름이 반대방향으로 흐르게 되기 전에, 제1 휴지 구간 t_p1이 발생한다. 상기 부하 펄스 기간t_EL는 충전 펄스 기간 t_L보다 확실히 50% 아래에 위치하게 되는데, 바람직하게 20% - 30% 영역에 위치하게 된다. 본 실시예에서 충전 펄스 동안 5A의 방전 전류 I_Last가 흐른다. 현재 충전 펄스 동안에 이미 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달했는지 아닌지를 결정하기 위해, 전체 싱크 시간 t_senke 동안에, 즉 충전 펄스들 이외의 시간에, 상기 전지의 전압 U_Z가 모니터링 된다. 도 4 및 도 5의 로드 펄스에서, 이용된 부하 전류 I_Last는 3A보다 작다. 그러나 실험에서는 10A 또는 18A의 로드 전류 I_Last에서는, 즉 충전 전류의 30% 또는 55%에서는, 총 충전 시간이 길어지지 않았으나 충전 사이클(cycles) 수가 더 높아졌었다. 즉, 충전 전류의 약 50% 또는 그 이상의 부하 전류로 구성된 로드 펄스들이, 충전 시간을 연장 시키지 않으면서 전지가 퇴화되는 것을 효율적으로 방지하기 위해, 이용될 수 있다.

도 4로부터 로드 사이클에서 알 수 있듯이, 각각의 다음의 충전 펄스들에 대해 충전 펄스들에서의 전압과 로드 펄스 동안의 전지의 전압 U_Z 모두에서 상승이 발생한다. 도 4는 본 발명의 펄스-충전 방법의 시작 부분에서 아주 짧은 구간을 도시한다. 충전 펄스들 시간 t_L / 로드 펄스들 시간 t_EL는 X축에서 확인될 수 있다. 두 구간 유닛들은 5초에 상당함을 알 수 있으며, 다시 말하면, 하나의 로드 펄스는 2 초보다 작게 지속되며, 하나의 충전 펄스는 5초 동안 지속됨을 알 수 있다.

도 4와 유사하게, 도 5는 펄스-충전 프로세스에 대해, 도면의 위쪽에 전압의 특성을 도시하며 또한 아래에 전류의 특성을 도시하고 있다. 도 4와는 대조적으로 이 도면에서는 펄스-충전 프로세스가 끝나기 직전을 도시하고 있다. 충전 펄스들은 대략적으로 충전 종단 전압 U_Lmax와 상응하는 4.25V를 넘은 전압으로 구성되어 있다. 로드 펄스 동안에 상기 전지의 전압 U_Z은 약 4V까지 떨어진다. 이것은 상기 전지가 거의 충전되었다는 것을 명백하게 알리는 신호이다. 약 4.25V의 충전 종단 전압 U_Lmax이 충전 펄스들 동안에 도달하게 될 때, 도 5에서 도시되어 있듯이, 상기 충전 전류는 충전 펄스들 동안에 감소된다. 이것은 상기 충전 펄스의 시작점에서 충전 전류의 급격한 상승을 통하여 확실히 인식될 수 있는데, 충전 전류는 그리고 나서 충전 장치에 의하여 현저하게 작아진다. 전류가 감소되지 않으며, 상기 전지의 전압 U_Z는 더 상승할 것이다. 그러므로 본 발명은 도 5의 아래 부분에서 인식될 수 있듯이, 충전 펄스들 동안 종단 충전 전압 U_Lmax에 도달하게 되면, 그리고, 충전 장치에 의해 충전 전류가 감소된 후에, 상기 충전 펄스 시간 t_L를 감소시킬 것을 제안한다. 이를 위하여, 충전 펄스의 위쪽 부분에서의 충전 펄스 시간 t_L은 전류의 급격한 강하를 초래하는 전압의 스위치 오프 전에 미리 고려된다. 첫 세 번의 충전 펄스에서 충전 펄스 시간 t_L은 거의 5초임을 알 수 있다. 그러나 그 후의 충전 펄스들의 지속시간은 짧아진다. 예를 들면 도 5의 마지막 충전 펄스들에서 전압 스위치 오프 이전에 놓여진 충전 펄스들의 그 넓이는 명백하게 5초보다 작음을 알 수 있다.

충전 펄스의 지속시간을 짧게하는 것은, 상기 충전 펄스에서 전류를 줄임으로써 전지가 더 이상 효율적으로 충전되지 않으며, 따라서 상기 충전 펄스들의 시간이 더 이상 효율적으로 활용되지 못한다는 사실에 기인한 것이다. 그러나 충전 펄스의 시간을 효과적으로 활용하기 위해서, 본 발명은, 충전 장치에 의해 충전 펄스들 동안 충전 전류 I_L가 감소되는 것을 방지함으로써 줄어든 지속시간에도 불구하고 최대로 가능한 충전 전류로 전지를 충전하도록, 충전 펄스의 지속시간(duration) t_L을 줄일 것을 제안한다. 즉, 공급되는 에너지의 양은 감소되지만, 충전시간 관점에서 충전 펄스 동안에 가능하면 상승된 충전 전류 (본 실시예에서 약 28A)를 유지하려는 시도이다. 만약 로드 펄스에서 전지의 전압 U_Z가 충전 종단 전압 U_Lmax 밑에 있으면, 충전 펄스들 동안 충전 전류의 감소가 이루어질 수 있는 경우는 충전 펄스 시간 t_L의 감소에 의해서는 더 이상 전지의 전압 U_Z가 충전 펄스 동안에 충전 종단 전압 U_Lmax를 넘어서 상승할 수 없을 때까지가 아니다. 지속시간(duration)을 감소시키는 것 및/또는 충전 전류를 낮추는 것은 로드 펄스 동안 충전 종단 전압에 도달하거나 또는 기 설정된 충전/로드 펄스들의 수에 도달할 때까지 계속된다. 즉, 충전 프로세스가 종료하는 것은 충전이 완료되었을 때 또는 로드 펄스와 충전 펄스 사이를 스위칭하면서 충전 또는 로드 펄스의 임계 개수에 도달하고 충전 상태가 더 이상 개선될 수 없을 때이다.

도 6은 펄스-충전 방법의 사이클이 도시되어 있는데, 전압은 도 6의 상부에 도시되어 있으며 전류는 하부에 도시되어 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 충전 펄스는 3.5V에서 시작되어 4.3V까지 증가되며, 상기 충전 펄스들 동안 대략 충전 종단 전압 U_Lmax 에 해당하는 4.3V에 도달하였을 때, 충전 펄스들 동안에 충전 전류의 감소가 발생한다. 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달하는 시점까지 적용된 충전 전류 I_L은 최대 허용 충전 전류 I_Lmax와 비교하였을 때 3배 정도 크기이다. 일단 상기 종단 충전 전압 U_Lmax에 도달하게 되면(도면을 4등분 하였을 때 가장 마지막 파트에서 볼 수 있듯이) 상기 충전 전류는 떨어지게 된다. 충전 펄스의 지속시간(duration)은 펄스-충전을 가능한 효율적으로 하기 위하여 감소되는 것을 명확하게 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 펄스-충전 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 단계 S700에서 전지의 충전이 개시된다. S710 단계에서는 상기 전지의 전압 U_Z가 측정되고, 이 전지에서의 전압 U_Z가 종단 충전 전압 U_EL보다 큰지 아닌지에 대하여 체크한다. 바람직하게 전압 측정은 로드가 적용되지 않은 채로 이루어진다. 만약 상기 전지의 전압 U_Z가 방전 종단 전압 U_EL보다 작으면, 상기 전지는 심방전 되며, S711 단계에서 지시되는 바와 같이 충전-준비 단계가 반드시 수행되어야 한다. 만약 상기 전지의 전압이 방전 종단 전압 U_EL보다 크면 펄스-충전이 요구되는지 단계 S702에서 체크된다. 만약, 예를 들면, 충전할 시간이 있어서 빠른 펄스-충전이 반드시 수행될 필요가 없다면, 저장 모듈 또는 전지들에 대한 주의 깊은 연속 충전이 수행된다(S721). 그러나 만약 외부 조건들 또는 이용자의 요구 때문에 충전이 빠르게 요구되면, 본 발명에 의한 펄스-충전이 시작된다(S730). 상기 충전 펄스들의 높이와 지속시간이 설정되어야 하는데(S740), 본 실시예에서 충전 펄스들의 지속시간 t_L은 5s로 설정되며 전류 I_L은 전지의 허용 충전 전류의 대략 3배 정도가 사용된다. 유사하게 로드 펄스의 지속시간 t_EL과 높이 가 설정되는데, 여기서는 대략 충전 펄스의 1/3정도이다(S750). 또한, S751 단계에서 휴지 구간(rest periods) t_p1과 t_p2가 설정되는데, 여기서는 각각이 부하펄스의 시간 t_EL의 1/3정도이다. 상기 휴지 구간과 로드 펄스의 시간의 총합 t_EL+t_p1+t_p2은 결과적으로 충전 펄스 이외에서 t_senke 가 된다.

S760 단계에서는 제1 충전 펄스가 적용된다. S761 단계에서는 카운터 m이 매 충전 펄스마다 증가되는데, 이는 다음 단계를 위한 충전 펄스들의 임계의 개수 m_Max를 기록하기 위함이다. S762 단계에서는 상기 충전 전류 I_L과 전지의 전압 U_Z가 측정되는데, S763 단계에서 상기 전지의 전압 U_Z가 종단 충전 전압 U_Lmax와 일치하는지 아닌지를 결정한다. 혹시라도 상기 전지의 전압 U_Z가 충전 종단 전압 U_Lmax와 일치하지 않으면, 경과 시간 T가 충전 펄스의 시간 t_L에 이미 도달했는지를 체크한다(S766). 만약 도달하지 않았다면, 상기 프로세스는 S762 단계로 돌아가며 그리고 지속적으로 상기 충전 펄스 동안 전류/전압을 체크한다. S763 단계에서 전지의 전압 U_Z이 종단 충전 전압 U_Lmax와 일치하면, S764 단계에서 상기 충전 전류가 충전 펄스에서 감소 되었는지 아닌지를 체크한다. 만약 감소하지 않았다면, 상기 S766 단계로 가며, 그리고 경과 시간 t를 충전 펄스 시간 t_L과 비교한다. 그러나 만약, 도 5에서 명백히 보이듯이, 상기 충전 펄스에서 충전 전류가 감소되면, 상기 전지의 전압 U_Z가 더 증가되는 것을 막기 위하여, 단계는 s765에서 상기 충전 펄스의 시간 t_L을 감소시킨다. 상기 감소 시간 t_△L은 다양한 방법으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 예시적으로 0.2초인 고정값 t_r이 이용될 수 있으며, 다음 충전 펄스가 0.02초만큼 감소된다.

그러나 충전 펄스 동안 상기 충전 전류 I_L이 떨어지기 시작하는 시점으로부터 도출되는 변동값을 사용하는 것도 가능하다. 충전 전류 I_L이 싱크되고 충전 펄스가 더 이상 효과적이지 않게 되는 충전 펄스의 시간 t_d는 다음 충전 펄스에서 줄어든 만큼의 시간일 수 있다. 즉, 충전 펄스에서 그 충전 전류가 더 이상 최대 허용 충전 전류의 기 설정된 3배의 값을 갖지 못하게 되는 시간은 다음 충전 펄스 동안 차감된다. 바람직하게는 일단 충전 펄스가 감소하게 되면, 이후의 펄스-충전 프로세스에 대해 다시는 확장되지 않는다.

또한, 충전 펄스의 지속시간 t_L은 충전 전류의 감소가 다음 충전 펄스 동안에 요청될 때까지 더 이상 감소되지 않을 수 있는데, 그때까지의 펄스는 시작 시점과 비교하였을 때 이미 그 지속 시간이 감소된 것이다.

일단 S766 단계에서 충전 펄스가 종료하게 되면, 충전 전압 U_L의 스위치는 오프되고, 그리고 S770 단계에서는 시스템은 제1 휴지 구간 t_p1이 종료될 때까지 대기하게 된다. 그러면 상기 로드 펄스가 s780 단계에서 활성화되는데, 즉 전지 또는 파워팩 또는 저장 모듈이 싱크 또는 로드와 연결되며, 로드 펄스 동안 또 다른 전압 측정이 S785에서 수행된다. 만약 로드 펄스 동안 상기 전지가 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달하게 되면 충전 프로세스는 종료된다. 측정 에러를 방지하기 위하여, 상기 시스템은 상기 전지가 다시 충전 종단 전압 U_Lmax이 되는 추가 로드 펄스가 발생하기를 기다릴 수 있다.

만약 로드 펄스 동안에 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달하지 못하게 되면, 추가 휴지 구간이 로드 펄스와 다음 충전 펄스 사이에 발생하게 된다. 그러면 충전 및/또는 로드 펄스들이 최대수에 도달하였는지 아닌지 체크를 수행하게 된다(S795). 이 체크는 또한 제1 충전 펄스가 적용되기 이전에 수행되거나 또는 다른 적합한 시간에 수행될 수 있다.

일단 충전 펄스들의 최대수 m_Max에 도달하게 되면, 상기 충전 프로세스는 종료하게 된다. 이것은, 낮은 영역에서 즉, 충전 펄스들 동안에 도달된 충전 종단 전압 U_Lmax와 충전 펄스 동안에 감소된 전류들에 대해, 충전 펄스와 로드 펄스 사이의 비효율적인 스위칭을 막기 위한 것인데, 왜냐하면 이것은 전지의 빠른 충전과 그리고 전지가 더 열화되는 것을 막기 때문이다. 만약 충전 및 로드 펄스들의 기 설정된 최대값 m_Max에 아직 도달하지 못하였다면, 시스템은 다음 충전 펄스를 적용하기 위해 S760으로 돌아간다. 상기 최대수 m_Max는 충전 펄스들 또는 로드 펄스들의 개수를 정의하는 것이다. 또는 양 펄스타입이 모두 카운팅 될 수도 있다. 상기 최대수 m_Max는 실험에 의존된 값이며, 다음 예에서 1010 개 펄스들로 제한된다.

도 8은 본 발명을 따르는 충전 준비 단계 그리고 펄스 충전 단계 둘 다 수행되는 펄스 충전 방법에 대한 흐름도를 나타낸다. 단계 S301에서 충전 과정이 시작된 뒤에, 전지에서의 전압 U_Z가 초기에 측정된다(S302). 전압 U_Z가 충전 종단 전압 U_Lmax보다 크다면, 즉, 고-에너지 전지의 경우에 전지에서의 전압이 4.2V보다 클 때, 전지는 완전히 충전되고, 충전 과정은 완료된다. 만약, 전지 전압 U_Z가 충전 종단 전압 U_Lmax보다 더 작다면, 전지 전압이 방전 종단 전압 U_EL보다 더 큰지 단계 S303에서 체크된다. 고-에너지 전지의 방전 종단 전압 U_EL는 약 2.5V이며, 고-전류 전지의 경우는 2V이다. 만약, 전지 전압 U_Z가 방전 종단 전압 U_EL보다 높으면, 도 7에 의한 펄스 충전 과정은 즉시 계속된다. 그러나 만약, 전지 전압 U_Z가 방전 종단 전압 U_EL보다 작다면, 전지를 활성화 시키기 위한 충전 준비 단계가 수행되어야만 한다.

따라서, S304 단계에서 제1 상승 구간(그림 3의 33)이 일어난다. 예를 들어, 여기서, 전지는 일분 동안 최대 허용 충전 전류나 또는 설정된 값까지 선형적으로 상승하는 충전 전류 I_L, 로 충전된다. 제1 상승 구간(33) 동안 전지를 충전한 후, 전지 전압 U_Z는 로드 상태에서 측정된다. 이것은 로드 상태에서 전지의 전압 U_Z의 강도를 체크하는 것을 의미한다. 전압 U_Z는, 사용중인 전지에 따라, 2.5V 또는 2V의 방전 종단 전압 UEL보다 큰 경우, 펄스 충전 단계가 시작될 수 있다. 그렇지 않으면, 제1 상승 구간은 단계 S306에서 반복된다. 제1 상승 구간을 반복한 후, 전지 전압이 여전히 방전 종단 전압 U_EL 아래에 있다면, 허용 충전 전류 I_Lmax보다 더 큰 충전 전류 I_L를 가지고 제2 상승 구간이 적용된다(S308). 도 8에 도시되지 않지만, 제2 상승 구간을 완료한 후, 전지 전압 U_Z이 방전 종단 전압 U_EL에 도달했는지 확인한다. 제2 상승 구간 이후에도 전지 전압 U_Z이 여전히 방전 종단 전압 U_EL에 도달하지 않은 경우, 전지는 결함이 있는 것이며 더 이상 충전할 수 없는 것이다. 도 7에 도시된 펄스 충전 단계는 방전 종단 전압 U_EL에 도달한 것을 조건으로 행할 수 있다. 펄스 충전 단계가 시작되면, 충전 펄스는 허용 충전 전류 I_Lmax보다 큰 충전 전류 I_L로 지속시간(duration) t_L 동안 초기에 적용된다. 상기 충전 펄스에 후속하여, 바람직하게는 단지 충전 펄스의 절반 길이 또는 30%인 로드 펄스가 적용되는데, 이때 전지는 허용 충전 전류 I_Lmax의 대략 25%인 방전 전류 I_Last로 로드된다. 충전 펄스 동안 전지 전압 U_Z는 측정되며, 전지 전압 U_Z가 충전 종단 전압 U_Lmax보다 큰지 여부가 체크된다. 전지의 전압 U_Z가 이미 충전 종단 전압 U_Lmax를 넘어서면, 충전 종단 전압이 이미 도달되었는지 체크된다. 만약 그렇다면, 전지는 완전히 충전된다.

도 9는 충전 준비 단계를 상세히 나타낸다. 도 9의 상부 신호 특성에서, 전지가 1A의 전류치까지 선형적으로 상승하는 전류로 초기에 충전되는 것을 알 수 있는데, 여기서, 전지 전압은 그 시간 동안 대략 3.5V에서 3.7V까지 상승한다. 그 다음의 로드 단계에서, 전압 측정이 다시 수행된다. 제1의 상승 단계 후에, 전지에서의 전압 U_Z가 방전 종단 전압 U_EL보다 작은 2.0V 미만인 것을 알 수 있으며, 그래서, 펄스 충전 단계가 방전 종단 전압 U_EL을 전제로 해서만 개시될 수 있기 때문에 추가의 제1의 상승단계가 수행되어야 한다. 제1의 상승 단계를 반복한 뒤에, 전압 측정이 다시 수행되는데, 그 전압 측정은 전지가 제1 상승 단계의 반복이 끝난 시점에 고-전류 전지(고-에너지 전지)의 방전 종단 전압 U_EL보다 큰 2.1V (2.5 V 미도시) 전압을 포함하는 것을 나타낸다. 실시예에 따라서는, 전지가 허용 충전 전류 I_Lmax 위의 암페어까지 충전되는 제2의 상승 단계가 수행될 수 있다. 아니면, 그와 달리, 펄스 충전 단계를 즉시 계속할 수도 있다.

도 10은 충전 방법을 수행하는 장치를 기술한다. 충전 방법을 수행하는 장치를 일반적으로 충전 장치라 부른다. 종래의 충전 장치와는 달리, 상기의 충전 방법을 수행하는 충전 장치는 전지에 정해진 싱크 또는 정해진 로드 펄스를 적용할 수 있다. 충전 장치(100)는 저장 모듈 또는 파워 팩(140)과 연결된다. 저장 모듈(140)은 직렬로 연결되고 온도 센서(160)와 연결된 복수의 전지들을 포함하며, 상기 온도 센서(160)는 연속적인 또는 주기적인 온도 모니터링을 위해 충전 장치(100)와 커플링된다. 충전 장치(100)는 본 발명에 의한 충전 방법을 수행하는 CPU(110)를 포함한다. CPU(110)는 메모리(120) 및 측정된 값을 출력하기 위한 디스플레이(130)와 연결된다. 또한, 상기 충전 장치는 상기 충전 방법에 영향을 줄 수 있는 입력 장치(150)를 포함하며, 예를 들어 충전될 전지의 타입을 입력할 수 있다. 메모리(120)에는 다양한 전지 타입들을 위한 여러 충전 프로세스 파라미터들이 저장된다. 예컨대, 특정 전지에 대한 특성으로서, 용량, 충전 종단 전압, 공칭 전압, 방전 종단 전압, 최대 충전 전류, 최대 방전 전류 및 연속 방전 전류 등이 저장될 수 있다. 이러한 값들에 기초하여, 충전 펄스들 / 로드 펄스들의 높이가 계산되고, T_L, t_EL, t_p1, t_p2 또한 계산된다. 또한, 임계 온도 값들이 각각의 전지 타입과 관련하여 메모리(120)에 저장될 수 있다. 바람직하게는, 충전 장치에는 충전될 전지를 식별하기 위해 감지 장치가 포함될 수 있다. 입력 수단을 통해 전지의 타입을 입력하는 것 또한 가능하다. 충전 장치의 CPU(110)는, 충전 방법에 따라, 전압 U_Z 및/또는 로드/충전 펄스들에서의 전류를 측정한다. 바람직하게는, 충전 장치(100)는 충전 펄스에 대해 전하를 제공하기 위해 사용되는 적어도 하나의 캐퍼시터를 포함한다. 로드 펄스 동안의 방전을 위해 상기 적어도 하나의 캐퍼시터를 이용하는 것도 가능한데, 여기서, 저장된 전하는 저항을 통해 방전된다. 또한, 저장 모듈 (140)이 충전 방법을 효율적으로 활용하지도 못하고 감소된 충전 펄스 및 로드 펄스들 사이에서 왔다 갔다 스위칭되지 않도록 하기 위해, 충전 / 로드의 펄스 수를 카운트하는 카운터(121)가 존재한다.

도 11은 도 4 내지 6에 따라서 펄스 충전 방식을 위해 사용된 저장 모듈을 나타낸 도면이다. 저장 모듈은 다섯 개가 각각 병렬로 접속되고, 다섯 개 전지의 그 두 팩을 다시 병렬로 연결한 2 × 5 전지를 포함한다. 즉, 10 개의 전지들이 전기적으로 병렬 연결되고, 다섯 개의 전지들 각각 터미널 러그 또는 버스바에 위치한다.

Claims (15)

1. 충전 펄스들(31, 41) 동안 충전 전류 I_L이 전지(140)의 최대 허용 충전 전류 I_Lmax를 최대 5배까지 초과하며 상기 전지(140)를 펄스 충전하는 단계;
   상기 충전 펄스들(31,41) 사이에서 상기 충전 펄스들(31,41)보다 짧은 로드 펄스 (32, 42)를 이용하여 상기 전지(140)를 방전하는 단계;를 포함하며,
   하나의 충전 펄스 동안 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달한 후에 상기 충전 펄스들의 지속시간은 감소되며,
   측정된 전압 U_Z가 상기 전지의 상기 충전 종단 전압 U_Lmax의 값과 일치하게 되는 때로서, 기 설정된 로드 펄스의 수(n)가 도달되거나, 적용 가능한 충전 펄스 및/또는 로드 펄스의 기 설정된 최대 개수 m_Max에 도달하면, 상기 전지의 충전이 종료되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 로드 펄스 동안 상기 전지에서의 전압 U_Z가 적어도 상기 전지의 방전 종단 전압 U_EL에 해당하는지 또는 펄스 충전 방법의 실행을 지시하는 외부의 시그널이 적용되었는지 체킹하는 단계를 추가로 포함하고,
   상기 전지(140)의 펄스 충전을 위한 미리 정의된 조건들 중 적어도 하나의 조건이 충족되면, 상기 펄스 충전 방법이 개시되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   로드 펄스 전 및/또는 그 후에 상기 전지로의 전압 공급이 스위치 오프되는 기 설정된 휴지 구간 t_p1, t_p2이 포함되며, 상기 휴지 구간 t_p1, t_p2는 충전이 될 상기 전지들의 개수 및/또는 용량에 따라 다른 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   터미널 엘리먼트와 연결되고 충전이 이루어질 전지들의 개수가 증가함에 따라 상기 휴지 구간 t_p1, t_p2가 증가되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
5. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 충전 펄스들 동안의 전압 측정에 따라 상기 충전 전류 I_L의 레벨은 현재의 충전 전류 펄스(31, 41)에 대해 설정되며, 상기 전지의 전압 U_Z이 상기 충전 펄스 (31, 41) 동안 상기 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달하면, 다음 충전 펄스에 대한 충전 펄스의 지속시간이 감소하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 펄스 충전 동안 상기 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달한 후, 상기 충전 전류 I_L은 상기 현재의 충전 전류 펄스 동안 감소되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
7. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 전지가 충전 펄스 밖에서 상기 전지의 충전 종단 전압 U_Lmax에 도달하는지 여부를 판정하기 위하여, 상기 전지의 전압 U_Z가 적어도 충전 펄스들 밖에서, 바람직하게는 상기 로드 펄스 동안에 측정되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
8. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 충전 펄스들(31, 41) 동안의 상기 충전 전류의 레벨 I_L 및/또는 상기 로드 펄스들(32, 42) 동안의 상기 방전 전류의 레벨 I_Last는 상기 전지(140)에 따라 및/또는 상기 전지(140)의 내부 저항 및/또는 상기 전지(140)의 온도에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
9. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
   로드 펄스(32,42) 동안에 상기 충전 펄스의 상기 충전 전류 I_L의 50% 내지 100%인 방전 전류 I_Last가 흐르는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
10. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 충전 전류 I_L의 레벨이 연이은 충전 펄스(31, 41)들에서 상이한 것 및/또는 방전 전류 I_Last가 연이은 로드 펄스(32, 42)들에서 상이한 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
11. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전지의 기 설정된 온도 (T_max)가 초과되면, 충전 작업이 종료 또는 중단되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
12. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    로드 펄스 (32, 42)의 길이 t_EL은 충전 펄스 (31, 41)의 길이 t_L의 약 1/3에 해당되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 방법을 수행하기 위해 적합한 콘트롤러(110)를 포함하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 로드 펄스들(32, 42) 동안에 상기 전지를 방전하기 위한 싱크 및/또는 로드; 및/또는
    상기 로드 펄스(32, 42) 동안에 충전 및/또는 상기 충전펄스(31, 41) 동안에 방전되는 적어도 하나의 캐퍼시터를 추가로 포함하고,
    상기 로드 펄스(32, 42)의 지속시간과 높이는 조정 가능한 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 장치.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 충전방법을 위한 다양한 파라미터들을 저장하기 위한 메모리(120);
    측정된 값들을 출력하기 위한 디스플레이(130);
    충전 방법을 수동으로 조절하고, 설정된 값으로서, 예컨대, 충전 종단 전압 U_Lmax, 충전펄스 지속시간 t_L, 로드펄스 지속시간 t_EL, 로드 펄스 이전 휴지 구간의 지속시간 t_p1, 로드 펄스 이후 휴지 구간의 지속시간 t_p2, 상기 로드 펄스를 줄이기 위한 값 t_d 중 적어도 어느 하나를 입력하기 위한 입력 장치(150);
    연속적으로 또는 주기적으로 상기 전지의 온도를 모니터링하는 온도센서(160);
    적어도 하나의 리튬 이온계 리차져블 전지를 포함하는 저장모듈(140); 및
    상기 펄스 충전 과정 동안, 충전펄스들 및/또는 로드펄스들의 수를 기록하기 위한 카운터(121)
    를 추가로 포함하는 적어도 하나의 리튬-이온계 리차져블 전지를 충전하는 장치.

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