KR20160063526A - 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법 및 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법 및 충전 장치로, 상기 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법은 충전하고자 하는 2차 전지의 전압이 미리 설정된 방전 완료 전압에 도달할 때까지 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량로 방전시키는 대전류 방전 단계(S100); 상기 대전류 방전이 완료되면 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지 충전하는 부스트 충전 단계(S200); 상기 부스트 충전 단계가 완료되면 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하는 펄스 충전 단계(S300); 및 상기 펄스 충전 단계가 완료되면 상기 2차 전지의 전압이 완충 전압에 도달하거나 충전 전류가 미리 설정된 전류보다 작아질 때까지 정전압 충전을 수행하는 정전압 충전단계(S400)를 포함한다.
Description
본 발명은 2차 전지의 충전 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 2차 전지의 충전 방식을 개량하여 충전된 2차 전지가 향상된 출력 특성을 가지도록 하는 다양한 충전방식을 혼용하고 방전과정을 포함하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법 및 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 일단 한번 방전해 버리면 다시 쓸 수 없는 배터리를 1차 전지라 하고, 방전되면 다시 재충전하여 계속 사용할 수 있는 배터리 등 전지를 2차 전지라 한다.
최근에 피처폰(feature phone), 스마트폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants)폰, 디지털 카메라 등과 같은 휴대기기의 보급이 확산됨에 따라 2차 전지의 수요가 급증하고 있다. 이러한 휴대기기에 사용되는 2차 전지는 안정성이 높고 두께가 얇아 휴대하기 편리한 특성이 요구되는 한편, 짧은 시간의 충전으로 오래 유지될 수 있는 특성이 요구된다.
이러한 휴대기기에 사용되는 2차 전지로는 주로 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등 리튬이차전지가 주로 사용되고 있으며, 이러한, 리튬이차전지는 일반적으로 정전류(constant current mode)-정전압(constant voltage mode) 충전방법(이하, ‘CC-CV 충전방법’이라 칭함)을 이용하여 충전한다. 상기 CC-CV 충전방법은 먼저 정전류로 충전을 하다가 배터리의 전압이 완충전압(즉, 배터리 충전 완료시 목표로 하는 전압)에 도달하면, 정전압충전으로 전환하여 충전전류를 낮춰서 단자전압을 유지하면서 남은 용량을 충전하는 방식이다. 즉, 상기 방법은 충전전류를 높일수록 충전 배터리의 전압 상승 속도가 빨라지는 특성을 이용한 것으로, 처음에 충전 전류를 높게 하여 완충전압까지 배터리를 급속으로 충전한 후 남은 용량을 정전압으로 충전하는 방식이다.
하지만 이런 종래의 방법은 충전전류를 높일수록 충전 배터리의 전압 상승 속도가 빨라져 완충전압까지 도달하는 시간은 단축시킬 수 있지만, 고전류 충전 시간을 줄임으로써 상대적으로 저전류 충전 시간이 늘어나 전체적인 충전 시간을 단축하는데 한계가 있어왔으며, 기존의 CC-CV 충전방법에 비해 더 정확한 만충전이 가능하고, 더 빠른 충전속도로 충전이 가능한 다양한 충전방법이 연구되고 있으며, 이와 관련된 특허로는 본 출원인에 의하여 특허출원되어 등록된 하기 특허문헌 1 및 특허문헌 2등이 있다.
한편, 이러한 리튬이차전지는 충전방식에 따라 내부 활성화 물질의 활성화 정도나 방식이 변화하게 되고 이에 의존하여 충전된 2차 전지의 출력 전압 특성이 변화하는 것이 실험결과를 통해 확인되고 있으며, 충전된 2차 전지가 사용되는 기기의 특성에 따라 출력 전압 특성을 조절할 필요가 있다. 예컨대 RC 자동차의 경우 충전된 2차 전지의 초기 전압유지율이 향상될수록 RC 자동차의 초기 차량 속도가 상승하는 특성을 가지므로, 충전된 2차 전지의 초기 전압유지율을 향상시키는 것이 필요하게 된다.
이에 따라, 2차 전지의 충전 방식을 개량하여 충전된 2차 전지가 출력 특성을 향상시키거나 조절하는 2차 전지의 충전 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
2차 전지의 충전 방식을 개량하여 충전된 2차 전지가 출력 특성, 특히 충전된 초기 전압유지율을 향상시키는 다양한 충전방식을 혼용하고 방전과정을 포함하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법 및 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서 본 발명은, 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법으로, 충전하고자 하는 2차 전지의 전압이 미리 설정된 방전 완료 전압에 도달할 때까지 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량로 방전시키는 대전류 방전 단계(S100); 상기 대전류 방전이 완료되면 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지 충전하는 부스트 충전 단계(S200); 상기 부스트 충전 단계가 완료되면 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하는 펄스 충전 단계(S300); 및 상기 펄스 충전 단계가 완료되면 상기 2차 전지의 전압이 완충 전압에 도달하거나 충전 전류가 미리 설정된 전류보다 작아질 때까지 정전압 충전을 수행하는 정전압 충전단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 대전류 방전 단계(S100)에 있어, 미리 설정된 방전 완료 전압은 상기 2차 전지가 규격 용량의 25%의 용량을 가질 때의 전압으로 수행된다
또한 바람직하게는 부스트 충전 단계(S200)에 있어, 상기 규격 전류량보다 큰전류량은 상기 2차 전지의 규격 전류량의 400%의 전류량으로 수행된다
나아가, 바람직하게는, 부스트 충전 단계(S200)에 있어, 상기 미리 설정된 전압은 상기 2차 전지의 규격 용량의 90%의 용량시의 전압이고, 펄스 충전 단계(S300)에 있어, 상기 펄스 전류의 전류량은 규격 전류량의 300%의 전류량으로 수행된다.
다른 측면에서 본 발명은 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치로, 충전하고자 하는 2차 전지 양단의 전압을 검출하는 전압검출부(110); 상기 2차 전지에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부(120); 상기 2차 전지를 충전하기 위한 충전전력을 제어하는 충전전력 제어부(130); 상기 2차 전지의 방전을 위한 방전전력을 제어하는 방전전력 제어부(140); 상기 전압 검출부(110) 및 상기 전류 검출부(120)에서 검출된 전압 및 전류에 의거하여 상기 충전전력 제어부 및 방전전력 제어부를 제어하는 중앙 처리부(150)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 중앙 처리부(150)은, 충전하고자 하는 2차 전지의 전압이 미리 설정된 방전 완료 전압에 도달할 때까지 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지가 방전되도록 상기 방전 전력 제어부를 제어하며,상기 방전이 완료되면 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지 충전하고, 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하며, 상기 미리 설정된 시간이 경과하면 상기 2차 전지의 전압이 규격 전압에 도달하거나 충전전류가 미리 설정된 기준 충전 전류보다 작아질 때까지 정전압 충전을 수행하도록 충전전력 제어부를 제어한다.
여기서 상기 방전전력 제어부는 상기 2차 전지에 저장된 전력을 방전시키는 미리 설정된 임피던스를 가지는 대전력저항(141)을 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 다양한 충전방식을 특징적인 방식으로 혼용하고 방전과정을 포함함으로써 2 차 전지의 충전 방식을 개량하여 충전된 2차 전지의 출력 특성을 제어할 수 있는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법 및 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치를 제공할 수 있는 효과를 가진다
나아가, 상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 특히 충전된 2차 전지의 초기 전압유지율을 향상시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법의 개략적인 처리 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 대한 구체적인 처리 흐름도이다.
도 4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 따라 충전된 2차 전지의 전압유지율 실험의 비교실험결과이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법의 개략적인 처리 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 대한 구체적인 처리 흐름도이다.
도 4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 따라 충전된 2차 전지의 전압유지율 실험의 비교실험결과이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 한편 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 상세한 설명을 생략하여도 본 기술 분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 부분의 설명은 생략하였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 적용되는 충전 장치는, 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치(100)로, 전압검출부(110), 전류검출부(120), 충전전력 제어부(130), 방전전력 제어부(140), 및 상기 전압 검출부(110) 및 상기 전류 검출부(120)에서 검출된 전압 및 전류에 의거하여 상기 충전전력 제어부(130) 및 방전전력 제어부(140)를 제어하는 중앙처리부(150)를 포함하며, 전원공급부(200)으로 부터 공급되는 전력을 제어하여 2차 전지인 배터리(300)을 충전하는 충전 시스템을 구성한다. 상기 방전전력 제어부(140)는 2차 전지에 저장된 전력을 방전시도록 연결된 미리 설정된 임피던스를 가지는 대전력저항(141)을 포함한다.
전압 검출부(110)은 양(+)의 단자와 음(-)의 단자가 각각 배터리(300)의 양단에 연결되어 배터리(300)의 전압을 검출한 후 중앙처리부(150)에 전달하고, 전류 검출부(120)는 양(+)의 단자와 음(-)의 단자가 배터리의 음(-)의 단자 및 그라운드에 연결되어 배터리(300)에 흐르는 전류를 검출하여 중앙 처리부(120)에 전달한다.
충전전력 제어부(130)는 중앙 처리부(120)의 제어신호에 따라 2차 전지를 충전하기 위한 충전전력을 제어하며, 일단이 전원공급부(200)에 연결되고 타단은 배터리(300)의 양(+)의 단자에 연결되어, 중앙처리부(150)에서 전달받은 제어신호에 맞게 충전전력을 제어하며, 충전시 전원공급부(200)로부터 배터리로의 전원공급을 연결(ON)하고 방전시 전원공급부(200)에서 배터리(300)로의 전원공급을 단절(OFF)한다. 아울러, 중앙처리부(150)의 제어신호에 따라 전원공급부(200)에서 공급되는 전력의 형태를 요구되는 전력의 형태로 변환하여 배터리(300)로 공급한다.
방전전력 제어부(140)는 중앙 처리부(120)의 제어명령에 따라 2차 전지의 방전을 위한 방전전력을 제어하며, 일단이 배터리(300)의 양(+)의 단자에 연결되고 전원공급부(200)에 연결되고 타단은 대전력저항(141)에 연결되어, 중앙처리부(150)에서 전달받은 제어신호에 따라 방전시 대전력저항(141)로의 전원공급을 연결(ON)하고 방전전력을 제어하여, 방전 전류량을 제어한다.
중앙 처리부(150)는, 전압검출부(110), 전류검출부(120), 충전전력 제어부(130), 방전전력 제어부(140), 및 상기 전압 검출부(110)와 연결되어, 전류 검출부(110) 및 전압 검출부(120)에서 검출된 전류 및 전압에 의거하여 상기 충전전력 제어부(130) 및 방전전력 제어부(140)를 제어한다. 특히, 상기 중앙 처리부(150)는, 충전하고자 하는 2차 전지의 전압이 미리 설정된 방전 완료 전압에 도달할 때까지 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지가 방전되도록 상기 방전 전력 제어부를 제어하며, 상기 방전이 완료되면 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지 충전하고, 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하며, 상기 미리 설정된 시간이 경과하면 상기 2차 전지의 전압이 규격 전압에 도달하거나 충전전류가 미리 설정된 기준 충전 전류보다 작아질 때까지 정전압 충전을 수행하도록 충전전력 제어부를 제어한다.
구체적인 실시예에 있어서, 방전시 미리 설정된 방전 완료전압은 충전되는 하기 예1) 및 예2)에서와 같이 2차 전지인 배터리의 규격용량 내지 완충용량을 기준으로 25%이하의 용량에 해당하는 전압이 실험적으로 최적의 전압 값으로 선택되어 설정되며, 그 이하로 전압이 떨어질 경우 배터리에 치명적인 손상이 생겨 영구적인 용량감소, 특성변화, 성능감소의 주 원인이 되는 배터리의 방전 한계 전압 내지 완전 방전 전압보다 높도록 설정된다.
예1) 리튬 폴리머 전지(완충전압 4.2V, 방전 한계 전압 3.3V)일 경우 방전완료전압(X)의 설정
(X-3.3)/(4.2-3.3)=0.25(25%), X=0.25*0.9+3.3 =3.525 (약 3.5V )
예2) 리튬 이온 전지 (완충전압 4.1V, 방전 한계 전압 2.8V)일 경우 방전완료전압(X)의 설정
(X-2.8)/(4.1-2.8)=0.25(25%), X=0.25*1.3+2.8=3.125(약 3.2V)
한편, 방전시 규격 전류량보다 큰 전류량은 하기 예3)에서와 같이 배터리 표기 전류량 즉 규격 전류량의 1000% (10C-Rate) 이상의 높은 전류로 방전 진행하도록 제어하며, 이는 급속 방전을 위한 것으로 배터리의 상황 충전 환경 등을 고려하여 충전된 2차 전지의 출력상승 내지 초기 전압유지율 향상되는 범위에서 대략 5~20 C-Rate로 방전이 수행되도록 방전 전류량이 조절되어 제어될 수도 있다.
예3) 배터리 용량 5000mAh일 경우 50A로 방전 진행
참고로, 이와 같은 사전 방전 내지 급속 방전을 수행함으로써 충전된 2차 전지의 출력상승 내지 초기 전압유지율의 향상되는 것이 실험적으로 관찰되어, 사전 방전 및 급속 방전이 본 발명에 적용되었으며, 2차 전지의 출력상승 내지 초기 전압유지율의 향상은 이를 통한 충전되는 내부 배터리 화학물질의 활성화에 영향을 주는 결과로 해석되는 사항이다.
2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지의 충전은 통상의 부스트 충전 과정이 수행되도록 제어되는 것으로, 배터리 표기 전류량 즉 규격 전류량의 400% (4C-Rate)의 전류량으로 충전을 진행하도록 제어하며, 이는 하기 부스터 충전에 관한 참고 논문을 참조하여, 부스터 충전의 최대 충전전류(Imax)가 4.5C 인 것을 고려하여 실험적으로 최적의 충전 전류량으로 이보다 낮은 규격 전류량의 400% (4C-Rate)가 선택되어 설정된 것이다.
부스터 충전에 관한 참고 논문) P.H.L. Notten, J.H.G. Op het Veld, and J.R.G. van Beek, “Boostcharging Li-ion Batteries: A Challenging New Charging Concept,” J. Power Sources, Vol.145, 2005, pp.89-94.
상기 부스터 충전의 제어는 미리 설정된 전압까지만 수행되도록 제어되고, 이어 상기 미리 설정된 전압의 초과 상태에서 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하도록 제어한다. 이러한 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 충전하는 방식은 통상의 펄스 충전 방식이 수행되도록 제어되는 것으로, 상기 펄스 충전이 개시되는 미리 설정된 전압은 전지의 규격 용량 즉 완충 용량의 90%의 용량시의 전압이고, 펄스 전류의 전류량은 규격 전류량의 300%의 전류량이 되도록 제어하며, 상기 펄스 충전이 개시되는 전압이 규격 용량 즉 완충 용량의 90%의 용량시의 전압으로 설정되는 것 및 규격 전류량의 300%의 전류량(3C-Rate)은 하기 펄스 충전에 관한 참고 논문에 참조하여 아래 최적의 펄스형태를 선택하고, 이에 따른 최적 펄스 전류 조건식을 이용하여 충전전류량(C-Rate)이 계산되어 설정되고, 하기 예4)와 같이, 펄스 충전이 개시되는 전압을 계산 설정한 것이다.
펄스 충전에 관한 참고 논문) K.B. Chin, R.V. Bugga, M.C. Smart, K.A. Smith, and S.R. Narayanan, “Evaluation of Rapid Charge Methodologies for Li-ion Chemistry,” ECS Trans., Vol.11, No.29, 2008, pp.43-53.
최적 펄스 전류 조건식) 펄스형태 : 펄스폭 100ms (전류 흐르는 시간) 휴지기간 500ms (전류가 흐르지 않는 시간)
C-Rate X 0.1(펄스시간)/{0.1(펄스시간)+0.5(휴지시간)}=0.5
C-Rate =0.5X0.6/0.1=3
예4) 리튬 폴리머 전지(완충전압 4.2V, 방전 한계 전압 3.3V)의 경우 : 4.1V가 최적의 펄스 충전 개시 전압임을 참조하여 펄스 충전 개시 용량(X) 계산 설정
X=(4.1-3.3)(4.2-3.3)=0.88(약 90%)
아울러, 펄스 충전이 완료되면 미리 설정된 시간 동안 충전을 중지하도록 제어하며, 이는 셀간의 충전 전압을 안정시키기 위한 것이다. 중지 시간은 대략 10초~5분 정도로 설정된다.
이어, 위 중지 시간이 경과하면 통상의 정전압 충전을 진행하도록 제어하며, 완충전압에 도달하거나 충전되는 전류가 미리 설정된 기준 충전 전류보다 낮아지는 경우 충전을 종료하도록 제어한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법의 개략적인 처리 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 대한 구체적인 처리 흐름도로서, 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법은 상술한 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치에 의하여 수행되며, 상술한 전압검출부(110) 및 전류검출부(120)를 통해 입력되는 검출된 2차 전지인 배터리(300)양단의 전압 및 전류를 기초로 각종 설정값에 따라 충전전력 제어부(130) 및 방전전력 제어부(140)를 제어하는 방법으로 수행된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법은 다음과 같다.
중앙처리부(150)는 2차 전지인 배터리(300)을 방전하기 위해 방전전력 제어부(140)를 제어하며, 전압검출부(110)을 통해 배터리의 출력단자전압을 측정하면서 충전하고자 하는 2차 전지인 배터리의 전압이 미리 설정된 방전 완료 전압에 도달할 때까지 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량로 방전시키는 대전류 방전 단계(S100)를 수행한다.
구체적인 실시예에 있어서, 대전류 방전 단계(S100)에 있어, 미리 설정된 방전 완료 전압은 상기 2차 전지가 규격 용량의 25%의 용량을 가질 때의 전압인 것이 바람직하며, 대전류 방전 단계의 미리 설정된 방전 완료전압은 상술한 예1) 및 예2)에서와 같이 충전되는 2차 전지인 배터리의 규격 용량 내지 완충 용량을 기준으로 25%이하의 용량에 해당하는 전압이 실험적으로 최적의 전압 값으로 선택되어 설정되며, 그 이하로 전압이 떨어질 경우 배터리에 치명적인 손상이 생겨 영구적인 용량감소, 특성변화, 성능감소의 주 원인이 되는 배터리의 방전 한계 전압 내지 완전 방전 전압보다 높도록 설정되며, 규격 전류량보다 큰 전류량은 상술한 예3)에서와 같이 배터리 표기 전류량 즉 규격 전류량의 1000% (10C-Rate) 이상의 높은 전류량으로 방전 진행하도록 제어하며, 이는 급속 방전을 위한 것으로 배터리의 상황 충전 환경 등을 고려하여 충전된 2차 전지의 출력상승 내지 초기 전압유지율 향상되도록 대략 5~20 C-Rate로 방전이 수행되도록 방전 전류량이 조정되어 제어될 수도 있다.
상기 대전류 방전이 완료되면 중앙처리부(150)는 충전전력 제어부(130)을 제어하여, 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지 충전하는 부스트 충전 단계(S200)를 수행한다.
구체적인 실시예에 있어서, 부스트 충전 단계(S200)에 있어, 상기 규격 전류량보다 큰 전류량은 상기 2차 전지의 규격 전류량의 400%의 전류량인 것이 바람직하며, 배터리 표기 전류량 즉 규격 전류량의 400% (4C-Rate)의 전류량으로 충전을 진행하도록 제어하는 것은 상술한 부스터 충전에 관한 참고 논문을 참조하여, 부스터 충전의 최대 충전전류(Imax)가 4.5C 인 것을 고려하여 실험적으로 최적의 충전 전류량으로 이보다 낮은 규격 전류량의 400% (4C-Rate)가 선택되어 설정된 것이다.
상기 부스트 충전 단계가 완료되면 중앙처리부(150)는 충전전력 제어부(130)을 제어하여 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하는 펄스 충전 단계(S300)를 수행한다.
부스트 충전 단계(S200)에 있어, 상기 미리 설정된 전압은 상기 2차 전지의 완충 전압의 90%의 전압이고, 펄스 충전 단계(S300)에 있어, 상기 펄스 전류의 전류량은 규격 전류량의 300%의 전류량인 것이 바람직하며, 상기 부스터 충전의 제어는 미리 설정된 전압까지만 수행되도록 제어되고, 이어 상기 미리 설정된 전압의 초과 상태에서 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하도록 제어하게 된다. 이러한 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 충전하는 방식은 통상의 펄스 충전 방식이 수행되도록 제어되는 것으로, 상기 펄스 충전이 개시되는 미리 설정된 전압은 전지의 규격 용량 즉 완충 용량의 90%의 용량시의 전압이고, 펄스 전류의 전류량은 규격 전류량의 300%의 전류량이 되도록 제어하며, 상기 펄스 충전이 개시되는 전압이 규격 용량 즉 완충 용량의 90%의 용량시의 전압으로 설정되는 것 및 규격 전류량의 300%의 전류량(3C-Rate)은 상술한 바와 같이 상기 인용된 펄스 충전에 관한 참고 논문에 참조하여 최적의 펄스형태를 선택하고, 이에 따른 최적 펄스 전류 조건식을 이용하여 충전전류량(C-Rate)이 계산되어 설정되고, 상술한 예4)와 같이, 펄스 충전이 개시되는 전압을 계산 설정한 것이다.
펄스 충전이 완료되면 미리 설정된 시간 동안 충전을 중지하도록 제어하는 것이 바람직며, 이는 셀간의 충전 전압을 안정시키기 위한 것이다. 중지 시간은 대략 10초~5분 정도로 설정된다.
상기 펄스 충전 단계가 완료되면 중앙처리부(150)는 충전전력 제어부(130)을 제어하여 상기 2차 전지의 전압이 완충 전압에 도달하거나 충전 전류가 미리 설정된 전류보다 작아질 때까지 정전압 충전을 수행하는 정전압 충전단계(S400)를 수행하며, 펄스 충전이 완료되고 위 중지 시간이 경과하면 통상의 정전압 충전을 진행하도록 제어할 수 있다. 정전압 충전단계 중 2차 전지의 전압이 완충 전압에 도달하거나 충전 전류가 미리 설정된 전류보다 작아지면 2차 전지의 충전과정을 종료함으로써 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법이 종료된다.
도 4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 따라 충전된 2차 전지의 전압유지율 실험의 비교실험결과로서, 도 4a 및 도 4b는 일반적인 5000mAh 의 리튬폴리머 배터리에 대하여 기존의 CC-CV 충전방법으로 충전한 경우와 상술한 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법으로 충전한 경우의 초기 전압을 측정한 데이터이며, 도4c는 상기 데이터를 그래프로 표시한 것이다.
도 4a 내지 도4c를 참조하면, 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법으로 충전한 경우 초기 전압(도 4c 적색 표시)이 기존의 CC-CV 충전방법으로 충전한 경우의 초기 전압(도 4c 청색 표시)에 대비하여 초기 사용시간 구간(1분~53분)동안 높게 측정되어, 본 발명의 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 의하여 충전된 2차 전지초기 전압유지율이 기존의 CC-CV 충전방법으로 충전한 경우에 비하여 향상되었음을 확인할 수 있다.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다.
또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 전압검출부 120: 전류검출부
130: 충전전력 제어부 140: 방전전력 제어부
141: 대전력저항 150: 중앙처리부
200: 전원공급부 300: 배터리
130: 충전전력 제어부 140: 방전전력 제어부
141: 대전력저항 150: 중앙처리부
200: 전원공급부 300: 배터리
Claims (7)
- 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법에 있어서,
충전하고자 하는 2차 전지의 전압이 미리 설정된 방전 완료 전압에 도달할 때까지 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량로 방전시키는 대전류 방전 단계(S100);
상기 대전류 방전이 완료되면 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지 충전하는 부스트 충전 단계(S200);
상기 부스트 충전 단계가 완료되면 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하는 펄스 충전 단계(S300); 및
상기 펄스 충전 단계가 완료되면 상기 2차 전지의 전압이 완충 전압에 도달하거나 충전 전류가 미리 설정된 전류보다 작아질 때까지 정전압 충전을 수행하는 정전압 충전단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법.
- 제1항에 있어서, 대전류 방전 단계(S100)에 있어, 미리 설정된 방전 완료 전압은 상기 2차 전지가 규격 용량의 25%의 용량을 가질 때의 전압인 것을 특징으로 하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법.
- 제1항에 있어서, 부스트 충전 단계(S200)에 있어, 상기 규격 전류량보다 큰전류량은 상기 2차 전지의 규격 전류량의 400%의 전류량인 것을 특징으로 하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법.
- 제1항에 있어서, 부스트 충전 단계(S200)에 있어, 상기 미리 설정된 전압은 상기 2차 전지의 규격 용량의 90%의 용량시의 전압이고, 펄스 충전 단계(S300)에 있어, 상기 펄스 전류의 전류량은 규격 전류량의 300%의 전류량인 것을 특징으로 하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법.
- 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치에 있어서,
충전하고자 하는 2차 전지 양단의 전압을 검출하는 전압검출부(110);
상기 2차 전지에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부(120);
상기 2차 전지를 충전하기 위한 충전전력을 제어하는 충전전력 제어부(130);
상기 2차 전지의 방전을 위한 방전전력을 제어하는 방전전력 제어부(140);
상기 전압 검출부(110) 및 상기 전류 검출부(120)에서 검출된 전압 및 전류에 의거하여 상기 충전전력 제어부 및 방전전력 제어부를 제어하는 중앙 처리부(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 중앙 처리부(150)은, 충전하고자 하는 2차 전지의 전압이 미리 설정된 방전 완료 전압에 도달할 때까지 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지가 방전되도록 상기 방전 전력 제어부를 제어하며,상기 방전이 완료되면 상기 2차 전지의 규격 전류량보다 큰 전류량으로 상기 2차 전지를 미리 설정된 전압까지 충전하고, 상기 2차 전지를 일정 주기를 가지는 펄스 전류로 상기 2차 전지의 완충 전압까지 충전하고 미리 설정된 시간 동안 충전을 정지하며, 상기 미리 설정된 시간이 경과하면 상기 2차 전지의 전압이 규격 전압에 도달하거나 충전전류가 미리 설정된 기준 충전 전류보다 작아질 때까지 정전압 충전을 수행하도록 충전전력 제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 방전전력 제어부는 상기 2차 전지에 저장된 전력을 방전시키는 미리 설정된 임피던스를 가지는 대전력저항(141)을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치.
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| KR1020140166727A KR101653821B1 (ko) | 2014-11-26 | 2014-11-26 | 2차 전지의 다중 스테이지 충전 방법 및 2차 전지의 다중 스테이지 충전 장치 |
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