KR20180066292A - 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리 급속 충전 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명은, 충전전류를 결정하는 단계; 하기 수학식 1에 의해 온도를 계산하는 단계; 계산된 온도를 현재 측정된 온도와 비교하는 단계; 상기 수학식 1 에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하여 온도 방향을 판단하는 단계; 판단결과, 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 하이일 경우, 온도보상요소를 계산하고, 계산된 온도보상요소를 적용하여 충전전류를 변화시켜 충전을 하는 단계; 판단결과 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 충전전류의 변화없이 충전을 하는 단계를 포함한다. 배터리의 환경과 배터리의 상태에 따라 충전 전류를 결정하여 배터리를 급속하게 충전하고, 충전 효율 및 배터리의 반응열로 인한 열화를 방지하여 배터리의 수명은 단축을 방지하고 충전효율은 높고, 충전시간은 줄일 수 있다.

Description

이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법{Fast charge protocol and system of battery to reduce the lifetime of secondary batteries and prevent explosion}
본 발명은 모바일용 핸드폰, 스마트폰, 노트북, 테블릿, 소형 전동 툴에 사용되는 배터리의 급속 충전에 관한 것으로, 특히 스마트폰 및 테블릿 등에 사용되는 배터리를 급속 충전하기 위한 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모바일용 소형 2차 전지 시장의 대부분은 리튬이온전지 및 리튬폴리머전지가 점유하고 있다.
리튬이온전지 및 리튬폴리머전지는 여타 전지에 비하여 높은 전압과 에너지밀도를 가지고 있다. 이 중 리튬이온전지는 양극에서는 리튬금속산화물을 이용하고, 음극에서는 탄소금속을 이용한다.
그리고 배터리내의 리튬이온은 충전 또는 방전을 하는 동안 양극과 음극의 전극 사이를 이동한다.
이러한 모바일용 2차 전지는 디바이스에 내장형이거나 탈착형으로 사용 가능할 수 있다.
이러한 배터리를 충전하는 배터리 충전기는 정전류-정전압(CC-CV)충전 방법을 많이 이용하고 있다. 이러한 방법에서는 일정 시간 주기 동안 정전류로 배터리를 충전하다가 배터리가 일정전압의 충전레벨에 도달하면 정전압 충전을 한다.
대부분의 급속충전시스템은 배터리가 일정한 전압(CC-CV)에 도달하는 시점에 충전이 종료된다.
이 시점에서 충전기는 낮은 전류의 충전으로 전환되는 것이 전형적이다.
더 낮은 전류의 충전은 배터리의 SOC에 따라 변한다. 이 때, 리튬이온 배터리는 배터리 전압이 소정의 전압 값을 초과하지 않도록 이러한 충전 속도로 조정된다.
이것은 CC-CV 프로파일의 정전압충전으로 알려져 있다.
리튬이온 배터리는 전형적으로 CC-CV 방법을 이용하여 충전된다.
CC-CV 방법 알고리즘은 배터리를 소정 전압까지 고정 전류로 충전한다. 일단 소정 전압에 도달하면, 충전기는 정전류 충전으로 느린 속도의 충전 전류로 전환한다. 이후에, 충전하는 소정전압은 일반적으로 제조업체에 의해 선택된다.
그런데 종래의 CC-CV를 이용한 급속충전시스템의 경우는 정전류 충전의 전류를 크게 하는 경우, 충전 효율 및 배터리의 발열반응으로 인한 배터리의 열화가 급속하게 되므로 배터리 제조업체는 낮은 전류(5W)의 충전을 대부분 사용한다.
그러나 현재의 스마트폰용 디스플레이의 크기가 기존의 3인치 대에서 5인치 이상으로 대 면적화가 되면서 에너지 소모가 크게 발생되고 있고, 또한, 멀티태스킹이 가능한 서비스와 LTE/3G/Wifi 등의 통신을 다중으로 이용하므로 그에 따라 필요한 에너지가 증가되면서, 스마트폰 사용자는 배터리를 자주 충전하게 되었다.
현재 상용화 되어 있는 모바일기기의 경우 배터리팩(battery pack)을 완전 충전하는데 짧게는 약 2시간 정도가 걸린다. 한번 충전 후 파워유저의 경우 하루에 2-3회 정도를 충전해서 사용하기 때문에 급속 충전을 필요로 하게 된다.
급속 충전은 일반 충전에 비하여 높은 전류를 인가하기 때문에, 전극 내 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation)과 디인터칼레이션(deintercalation) 속도가 인가된 전류를 충분히 따라가지 못한다. 이로 인해 전극물질을 열화(degradation)시키는 부반응(side reaction) 속도를 높임으로써 리튬 이차전지의 저항(resistance)을 증가시키고, 충전 시 온도가 과도하게 상승하게 되어 리튬 이차전지의 사이클 수명이 상대적으로 급격히 감소하게 된다.
따라서, 리튬 이차전지의 온도상승을 줄이며 충전시간을 단축할 수 있는 최적 충전 조건 연구는 실제 사용되는 모든 분야에서 리튬 이차전지의 수명을 최대화하기 위하여 반드시 필요하다
도 1은 전지의 성능감소에 영향을 끼치는 요소들의 영향을 쉽게 표현한 그림이다.
도 1을 참조하면, 충전시에 전극물질이 열화(degradation)되는 온도 제어를 원활하게 되면 안전하다.
그러나, 열화에 대해 온도가 불안정하면, 충전상태도 불안정해지고, 과충전이나 과방전이 될 수 있다.
그리고 열화는 리튬 이차전지의 저항(resistance)을 증가시키고, 충전 시 온도가 과도하게 상승하게 되어 리튬 이차전지의 사이클 수명이 상대적으로 급격히 감소하게 된다.
따라서 온도상승을 줄이며 충전시간을 줄일 수 있는 최적 충전 조건 연구는 실제 충전기 분야에서 리튬 이차전지의 수명을 최대화하기 위하여 필수적이다.
한편, 리튬이온전지가 상용화되던 시기에 보편적으로 채택됐던 정류-정전압(CC-CV) 충전 방식은 낮은 용량감소, 빠른 충전시간, 작동 편이성, 긴 수명에 대한 낮은 내부저항 등과 같은 장점을 갖고 있었다. 그러나 이 CC-CV 충전방식을 채택했을 경우 전지 내부의 양극과 음극에서는 비안전성이 발생했다.
인조흑연 음극, Li 양극을 선택했을 때 CC-CV 충전한 결과 대부분의 충전조건, 특히 고전류와 저온에서 리튬 도금(Lithium Plating)이 발생했다. CC 충전범위에서조차 흑연음극의 전위가 0V이하로 떨어졌다. 리튬 도금과 도금된 리튬이 흑연 속으로 재삽입되는 과정이 함께 일어나면서 낮은 충전용량을 나타냈다.
전류가 일정 수준을 넘을 경우, 전류 증가는 더 이상 충전시간을 줄이지 못하며 리튬 도금을 악화시킬 뿐만 아니라 CV 충전시간이 길어졌다. 게다가 전지온도의 감소는 리튬도금을 더욱 악화시켰다.
CC-CV 충전은 CC로 상한전압(4.1-4.2V)에 도달한 후 미리 설정한 낮은 전류 값에 도달할 때까지 CV 조건을 유지한다. 이 때, CV 조건은 충전시간을 심각하게 연장시킬 수 있다. 즉 충전 시의 전극 내 리튬이온 확산이 율속단계로 되는데, 장시간 확산됨에 따라 필연적으로 농도분극을 야기한다. 급속 충전 시 급속히 상한전압에 도달하므로 활물질이 완전히 소비되기도 전에 전류가 미리 설정한 한계 값으로 떨어질 수 있는 것이다.
2시간이 넘는 리튬이온전지 충전시간은 일반적으로 전지의 안전성 및 수명과 관련이 있으며 여기서 벗어나면 전지 내부에서 부반응이 일어나 열화에 의한 안정성이 저해하는 것으로 알려져 있었다.
이를 해결하기 위하여 리튬이온전지의 고속충전과 사이클 안정성을 동시에 확보하기 위해 최적의 충전 방식이 요구됨에 따라 개발된 것이 다단계(multistage) 정전류-정전압(MCC-CV) 충전법이다.
리튬이온전지는 충전 시에 전지의 내부 저항(ohmic 분극) 및 전극/전해질 계면사이서의 전하 이동과 연관된 분극(polarization)현상에 관련되어 있다. 내부저항과 활성화 분극에 따른 과전압의 형성과, 이온전도가 전자전도보다 낮으며, 전극 재료에 불순물이 포함될 수 있고, 전극 재료 표면과 내부에서의 리튬 이온 확산 속도의 차이로 전극 부위별 리튬이온 농도 차이가 유발되어 분극현상을 유발한다.
모바일용 전지의 경우 급속 충전 방식은 CC-CV(정전류-정전압)방식으로 전류를 기존의 전류에 비하여 높여 진행하는 경우 Lithum plating 및 Side reaction에 의하여 배터리의 노화와 안정성에 영향을 미치며, 충전 효율의 경우 전압 기반의 SOC(배터리의 전압으로 충전상태를 예측하는 방식)은 높으나 실제의 충전전류에 의한 전압상승에 의하여 수치가 높게 나타나지만 실제의 충전량은 발열 및 전류의 의한 전압상승분이므로 실제 OCV의 경우는 실제의 값 보다는 낮은 충전 효율을 가진다.
그리고, 모바일용 전지의 경우 충전에 있어서 온도의 영향이 매우 크게 존재한다.
특히, 고온 60℃ 이상의 경우 배터리의 노화가 가속되어 수명이 급격히 감소하게 되고 저온의 경우에도 급속충전을 하는 경우 Lithum plating이 급격히 발생하게 된다.
따라서 온도에 따른 충전 방법의 최적화가 필요하다.
한국공개특허 2015-0033126호(공개일자: 2015.04.01. 제목: 배터리팩 온도조절장치
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 기설정한 온도에 도달할 때까지는 일정 전류로 충전하며, 설정한 온도에 도달했을 시 온도에 따른 전류 제어를 하되, 수식값에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하여 하이인 경우와 로우인 경우로 나누어 온도보상요소를 적용하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배터리의 환경과 배터리의 상태에 따라 충전 전류를 결정하여 배터리를 급속하게 충전하고, 충전 효율 및 배터리의 반응열로 인한 열화를 방지하여 배터리의 수명은 단축을 방지하고 충전효율은 높고, 충전시간은 줄이는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 온도를 측정하여 온도에 대응하는 충전전류를 결정하여 배터리를 급속하게 충전하고, 충전 효율 및 배터리의 반응열로 인한 열화를 방지하여 배터리의 수명은 단축을 방지하고 충전효율은 높고, 충전시간은 줄이는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법은,
제어부가 온도 감지부에서 측정된 온도가 설정 온도 이상인지 판단하는 단계;
상기 측정된 온도가 설정 온도 이상인 경우,
하기 수학식 1에 의해 온도를 계산하는 단계;
계산된 온도를 현재 측정된 온도와 비교하는 단계;
상기 수학식 1 에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하여 온도 방향을 판단하는 단계;
판단결과, 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 하이일 경우, 온도보상요소를 계산하고, 계산된 온도보상요소를 적용하여 충전전류를 변화시켜 충전을 하는 단계;
판단결과 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 충전전류의 변화없이 충전을 하는 단계를 포함한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
T2는 현재 측정 온도, T1은 이전 측정 온도, t2는 현재 측정 시간, t1은 이전 측정 시간, m은 질량, CP는 열용량, R은 저항, I는 전류임.
상기 방법은,
상기 측정된 온도가 설정 온도 이상이 아니면, 일정한 전류로 충전을 하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은
제어부가 온도 감지부에서 측정된 온도가 설정 온도 이상인지 판단하는 단계 이전에,
충전전압을 판단하는 단계;
상기 충전 전압이 소정 전압 이상이면, CV 모드로 전환하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은,
판단결과 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 온도보상요소를 계산하지 않고 충전전류의 변화없이 충전을 하는 단계를 더 포함한다.
온도를 검출하기 위한 온도 감지부;
이차전지를 충전하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부;
상기 전원공급부에 연결되어 상기 이차전지를 충전하기 위한 충전부;
상기 이차전지의 전압정보를 검출하여 출력하는 전압검출부와;
상기 온도 감지부에서 감지된 온도와 상기 전압 검출부에서 검출된 전압정보에 따라 충전전류를 결정하여 상기 충전부가 상기 이차전지를 충전하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 하기 수학식 1에 의해 온도를 계산하고, 하기 수학식 1 에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하고, 상기 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 하이일 경우, 온도보상요소를 계산하고, 계산된 온도보상요소를 적용하여 충전전류를 변화시켜 충전을 하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00002
T2는 현재 측정 온도, T1은 이전 측정 온도, t2는 현재 측정 시간, t1은 이전 측정 시간, m은 질량, CP는 열용량, R은 저항, I는 전류임.
상기 제어부는 상기 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 온도보상요소를 계산하지 않고 충전전류의 변화없이 충전을 하는 것을 특징으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템은,
온도를 검출하기 위한 온도 감지부;
이차전지를 충전하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부;
상기 전원공급부에 연결되어 상기 이차전지를 충전하기 위한 충전부;
상기 이차전지의 전압정보를 검출하여 출력하는 전압검출부와;
상기 온도 감지부에서 감지된 온도와 상기 전압 검출부에서 검출된 전압정보에 따라 충전전류를 결정하여 상기 충전부가 상기 이차전지를 충전하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 하기 수학식 1에 의해 온도를 계산하고, 하기 수학식 1 에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하고, 상기 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 하이일 경우, 온도보상요소를 계산하고, 계산된 온도보상요소를 적용하여 충전전류를 변화시켜 충전을 하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00003
T2는 현재 측정 온도, T1은 이전 측정 온도, t2는 현재 측정 시간, t1은 이전 측정 시간, m은 질량, CP는 열용량, R은 저항, I는 전류임.
상기 제어부는 상기 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 온도보상요소를 계산하지 않고 충전전류의 변화없이 충전을 하는 것을 특징으로 한다.
온도에 대응하여 충전전류를 보상하는 보상요소를 저장하는 메모리를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전압검출부에서 제공된 전압정보를 기 설정된 값들과 비교하고, 그 비교결과에 따라 결정된 충전전류에 상기 보상요소를 반영하여 상기 이차전지를 충전하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서는 기설정한 온도에 도달할 때까지는 일정 전류로 충전하며, 설정한 온도에 도달했을 시 온도에 따른 전류 제어를 하되, 수식값에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하여 하이인 경우와 로우인 경우로 나누어 온도보상요소를 적용하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 배터리의 환경과 배터리의 상태에 따라 충전 전류를 결정하여 배터리를 급속하게 충전하고, 충전 효율 및 배터리의 반응열로 인한 열화를 방지하여 배터리의 수명은 단축을 방지하고 충전효율은 높고, 충전시간은 줄이는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 온도를 측정하여 온도에 대응하는 충전전류를 결정하여 배터리를 급속하게 충전하고, 충전 효율 및 배터리의 반응열로 인한 열화를 방지하여 배터리의 수명은 단축을 방지하고 충전효율은 높고, 충전시간은 줄이는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 기존의 충전방법에 비하여 보다 빠른 시간에 높은 충전효율을 가지게 되고 배터리의 충전에 따른 과충전 및 반응열에 의한 배터리 수명단축을 방지 할 수 있는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 열화에 의한 리튬 이차 전지의 성능 감소를 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에 적용되는 온도보상요소(Factor)를 설명한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 안정성을 확보하기 위해 전압에 제한을 두기 위한 방법을 설명한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에 서 적용되는 SOC에 따른 최대 허용 충전 전류를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 적용되는 SOC에 따른 최대 허용 충전 전류와 안전성을 고려한 충전 최대전류를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 6A까지 가능한 충전기로 충전시 안정성을 고려한 충전 방법의 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 7A까지 가능한 충전기로 충전시 안정성을 고려한 충전 방법의 예를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템을 이용하여 충전한 시간과 충전률을 다른 충전 방법과 비교한 도면이다.
도 12은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법에서 온도 보상요소 적용방법을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법에서 온도 보상 요소 결정하는 수학식을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법에서 온도보상요소 결정시 온도와 시간과의 관계를 나타낸 도면이다.
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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템은, 온도 감지부(110), 전원 공급부(140), 충전부(130), 전압검출부(120), 메모리(160), 제어부(150)를 포함한다.
온도 감지부(110)는 온도를 검출하며, 구체적으로 이차전지(200)의 외부 온도를 측정하는 온도 센서로 구현할 수 있다.
전원 공급부(140)는 이차전지(200)를 충전하기 위한 전원을 공급한다.
충전부(130)는 상기 전원공급부에서 공급되는 전원을 이용하여 이차전지(200)를 충전한다.
전압검출부(120)는 상기 이차전지(200)의 전압정보를 검출하여 제어부(150)로 출력한다.
메모리(160)는 온도에 대응하여 충전전류를 보상하는 보상요소를 저장하며, 구체적으로는 도 4와 같은 형태의 온도보상요소를 테이블 형태 또는 그래프 형태로 저장한다.
제어부(150)는 상기 온도 감지부(110)에서 감지된 온도와 상기 전압 검출부에서 검출된 전압정보에 따라 충전전류를 결정하여 상기 충전부(130)가 상기 이차전지(200)를 충전하도록 제어한다.
또한, 제어부(150)는 상기 전압검출부(120)에서 제공된 전압정보를 기 설정된 값들과 비교하고, 그 비교결과에 따라 결정된 충전전류에 상기 보상요소를 반영하여 상기 이차전지(200)를 충전하도록 한다.
상기 제어부(150)는,
상기 이차전지(200)의 전압이 제1 전압 미만이면 제1 정전류로 상기 이차전지(200)를 충전하고, 상기 이차전지(200)의 전압이 제1 전압 이상 제2 전압 미만이면 제2 정전류로 상기 이차전지(200)를 충전하며, 상기 이차전지(200)의 전압이 제2 전압 이상 제3 전압 미만이면 제3 정전류로 상기 이차전지(200)를 충전하고, 상기 이차전지(200)의 전압이 제3 전압 이상이면 상기 이차전지(200)의 충전을 종료하며, 상기 제1 정전류 내지 제3 정전류에 대해 상기 온도보상요소를 적용하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전압은 4.1V이고, 제2 전압은 4.15V이고, 제3전압은 4.2V이며, 상기 제1 정전류는 7-6A이고, 제2 정전류는 5-4A이고, 제3 정전류는 2-1A인 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템의 동작에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에 적용되는 온도보상요소(Factor)를 설명한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 안정성을 확보하기 위해 전압에 제한을 두기 위한 방법을 설명한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에 서 적용되는 SOC에 따른 최대 허용 충전 전류를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 적용되는 SOC에 따른 최대 허용 충전 전류와 안전성을 고려한 충전 최대전류를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 6A까지 가능한 충전기로 충전시 안정성을 고려한 충전 방법의 예를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템에서 7A까지 가능한 충전기로 충전시 안정성을 고려한 충전 방법의 예를 나타낸 도면이고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 시스템을 이용하여 충전한 시간과 충전률을 다른 충전 방법과 비교한 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 온도 감지부(110)가 온도를 감지하여 제어부(150)로 출력한다. 이때 온도는 배터리의 외부 온도이며, 주위환경의 온도이다.
그리고, 전압 검출부(120)가 이차전지(200)의 전압을 검출하여 제어부(150)로 출력한다(S300).
그러면, 제어부(150)는 메모리(160)를 참조하여 온도에 대응하는 온도보상요소를 결정한다. 이때 메모리(160)에는 온도별로 충전전류를 보상하는 온도 보상요소가 미리 저장되어 있다.
그리고 제어부(150)가 전압에 대응하는 제1 충전전류를 결정하게 된다(S301). 여기서 제1 충전전류는 초기 급속 충전전류로서 이차전지(200)의 상태가 충전이 필요한 상태로 간주하고 결정한다.
다음, 제어부(150)는 온도에 따라 제1 충전전류에 온도보상요소를 곱하여 충전부(130)가 충전해야할 충전전류를 결정하게 된다(S302).
그리고, 제어부(150)가 상기 전압 검출부(120)를 통해 검출된 상기 이차전지(200)의 전압이 4.1V 미만인지 판단한다(S303). 이 판단 과정은 이차전지(200)의 충전상태를 판단하여 4.1V 이상의 전압인 경우 다른 충전전류로 충전하기 위한 과정이다.
상기 이차전지(200)의 전압이 4.1V 미만이면, 상기 제어부(150)가 제1 정전류에 온도보상요소를 반영한 상기 과정에서 결정된 충전전류로 이차전지(200)를 급속히 충전시킨다(S302).
한편, 상기 이차전지(200)의 전압이 4.1V 이상이면, 상기 제어부(150)가 상기 이차전지(200)의 전압이 4.15V 미만인지 판단한다(S305).
상기 이차전지(200)의 전압이 4.15V 미만이면, 상기 제어부(150)가 상기 이차전지(200의 상태를 4.1V와 4.15V 상이의 전압으로 인식한다.
그리고 나서 제어부(150)는 제2 정전류에 온도보상요소를 반영하여 충전부(130)를 제어하여 이차전지(200)를 충전시킨다(S304).
상기 이차전지(200)의 전압이 4.15V 이상이면, 상기 제어부(150)가 상기 이차전지(200)의 전압이 4.2V 미만인지 판단한다(S307). 이 판단과정은 이차전지(200)의 충전상태를 판단하여 그 이상의 전압(4.2V)인 경우 충전을 종료하기 위한 과정이다.
판단결과 상기 이차전지(200)의 전압이 4.2V 미만이면, 상기 제어부(150)가 제3 정전류에 온도보상요소를 반영하고 충전부(130)를 제어하여 이차전지(200)를 충전시킨다(S306).
판단결과 상기 이차전지(200)의 전압이 4.2V 이상이면, 충전을 종료한다.
상기 과정에서 각 과정은 편의상 순서를 도시한 것으로서 그 순서는 변경이 가능하고, 필요에 따라 제1 충전전류 내지 제3 충전전류로 충전을 하면서 상기 과정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 판단단계(S303, S305)에서 4.1V 또는 4.15V 이상인 경우, 제2 충전전류 또는 제3 충전전류로 충전을 하면서 아래 판단단계를 수행할 수도 있다.
그리고 상기 과정에서 제1 전압은 4.1V이고, 제2 전압은 4.15V이고, 제3전압은 4.2V로 설명하였으나 이차전지의 종류나 충전 전압에 따라 변형이 가능하고, 상기 제1 정전류는 7-6A이고, 제2 정전류는 5-4A이고, 제3 정전류는 2-1A로 설명하였으나 이 또한 변형이 가능하다.
이상의 본 발명의 실시예에서는 열적 안정성을 고려하여 온도를 측정하고, 온도에 따른 충전 전류를 보상하는 온도보상요소를 충전전류에 곱하게 되며, 이러한 온도 보상 방법은 다양하게 변형될 수 있다.
도 4를 참조하면, 온도보상요소는 온도가 영하 또는 섭씨 60℃ 이상인 경우에 상기 제1 정전류 내지 제3 정전류를 감소시키게 되며, 이로 인해 이차전지(200)의 안정성을 확보한다.
예를 들어, 온도가 영하 40℃인 경우, 온도 보상 요소가 60%로서, 이차전지(200)의 전압에 대응하여 결정된 충전전류를 40% 줄이게 된다.
그리고 온도가 70℃인 경우에도 온도 보상 요소가 90%로서, 이차전지(200)의 전압에 대응하여 결정된 충전전류를 10% 줄이게 된다.
그리고 필요에 따라 온도보상요소는 온도가 영상이면서 섭씨 60℃ 이하인 경우 충전전류를 10% 증가시킬 수도 있다.
이러한 도 4의 그래프는 이차전지의 종류나 주위환경에 따라 변경이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 이차전지(200)의 안정성을 확보하기 위하여 전압에 제한을 두기 위한 방법을 설명한 그림이다.
빨간색 선은 리?Z 플레이트(Lithium plate)가 생길 수 있는 가능성이 적은 최대전압이며, 이때까지는 최대 허용 전류를 충전을 하더라고, 전지의 노화를 최대한 억제할 수 있다.
파란색 선은 전지의 최대 허용 전압이다. 이때는 충전 전류를 줄여 리?Z 플레이팅(Li-plating)을 줄여야 한다. (4.2V기준; 최대 허용 충전 전압이 4.3V일 경우 0.1V씩 이동한다.)
도 6은 본 발명에 실시 예에서 SOC에 따른 최대 허용 충전 전류를 나타낸 것으로서, 실험값과 추세선을 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실험값과 추세선을 비교해 보면, 실험값이 추세선 근방에 있는 것을 확인 할 수 있다.
도 7은 본 발명에 실시예에서 SOC에 따른 최대 허용 충전 전류와 안전성을 고려한 충전 최대전류를 나타내었다. 본 발명의 실시예에서는 제1 충전전류의 경우에는 안전성을 고려한 급속충전을 하고, 제2 충전전류와 제3 충전전류의 경우 최대 허용전류선에 맞추게 되는데, 이러한 방법은 필요에 따라 변형이 가능하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 온도와 배터리의 상태에 따른 충전 전류를 결정하는 방법을 이용하여 6A까지 가능한 충전기로 충전시 안정성을 고려한 충전 방법을 보인 도면이다.
도 8을 참조하면, 충전기의 최대 허용 전류와 배터리의 상태에 따른 안전성을 고려한 충전 최대전류 만나는 시점까지 6A로 충전을 한다(SOC:30%).
그리고 다음 스텝에서는 4A가 허용하는 최대전류 시점(4.15V)까지 충전을 한다(SOC:70%).
그리고 나머지에서는 디폴트(Defaut)값인 2A 전류로(4.2V까지) CC-CV충전을 진행한다. 이러한 전류값은 필요에 따라 변형이 가능하다.
이러한 충전전류를 변형한 예를 도 9에 도시하였다.
도 9를 참조하면, 충전기의 최대 허용 전류와 배터리의 상태에 따른 안전성을 고려한 충전 최대전류 만나는 시점까지 7A로 충전을 한다(SOC:30%).
그리고 다음 스텝에서는 5A가 허용하는 최대전류 시점(4.15V)까지 충전을 한다(SOC:70%).
그리고 나머지에서는 Defaut값인 2A 전류로(4.2V까지) CC-CV충전을 진행한다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예를 이용하여 충전한 시간과 충전률을 다른 충전 방법과 비교한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 충전률이 올라가도 온도가 크게 증가하지 않아 열적으로 안정화가 된 것을 알 수 있다.
그리고 도 11을 참조하면 본 발명의 실시예는 빠른 시간에 충전률이 올라가므로 안정하게 급속한 충전이 가능한 것을 알 수 있다.
상기 과정에서 온도 보상요소를 적용하는 단계의 다른 변형예에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법에서 온도보성요소를 적용하는 방법을 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법에서 온도 보상 요소 결정하는 수학식을 나타낸 도면이고, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리의 급속 충전 방법에서 온도보상요소 결정시 온도와 시간과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 먼저, 전압 검출부(120)가 이차전지(200)의 전압을 검출하여 제어부(150)로 출력하고 온도 감지부(110)가 온도를 감지하여 제어부(150)로 출력한다(S400). 이때 온도는 배터리의 외부 온도이며, 주위환경의 온도이다.
그러면 제어부(150)가 검출된 전압이 미리 정해진 충전상한전압에 도달했는지 판단한다(S402).
검출된 전압이 충전상한전압에 도달한 경우, 제어부(150)는 CV 모드로 전환하여 일반적인 cv 충전방식으로 충전을 하도록 한다(S401).
한편, 검출된 전압이 충전상한전압에 도달하지 않은 경우, 제어부(150)는 측정된 온도가 기설정한 온도 이상인지 판단한다(S410).
설정한 온도에 도달하지 않은 경우, 제어부(150)는 초기 설정된 일정한 전류로 충전을 한다(S412). 그리고 상기 단계(S400)부터 반복 수행한다.
한편, 설정한 온도에 도달하지 않은 경우, 제어부(150)는 온도에 다른 전류제어를 하게 된다.
이를 위해 제어부(150)는 먼저 온도 계산을 한다(S411).
이때, 온도 계산은 아래 수학식 1에 의한다.
[수학식 1]
Figure pat00004
T2는 현재 측정 온도, T1은 이전 측정 온도, △t는 t2-t1(t2는 현재 측정 시간, t1은 이전 측정 시간), m은 질량, CP는 열용량, R은 저항, I는 전류이다.
상기 수학식 1의 각 요소에 대한 설명 및 유도 방법을 도 13에 도시하였다.
도 13을 참조하면, 에너지 축적값은 입력된 열에서 빠져나간 열을 빼고, 여기에 열생성값을 더한 것이며, 여기에 온도를 대입하여 전개하면 수학식 1을 유도할 수 있다.
그리고 나서, 수학식 1 에 의해 계산된 T2값과 측정된 온도를 비교하여 온도 방향을 판단한다(S420).
판단결과, T2값과 비교하여 측정된 온도가 하이일 경우 온도보상요소를 계산하고(S430), 계산된 온도보상요소를 적용하여 온도보상을 하고 온도 보상을 반영한 전류로 충전을 하도록 제어한다(S440).
그리고 나서, 다시 시작단계로 이동을 한다(S460).
한편, T2값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우 충전전류의 변화없이 충전을 하며(S450), 다시 시작단계로 이동을 한다(S460).
실제로 이러한 과정에서 측정온도, 측정전압, 측정전류 및 측정 시간들을 대입한 예를 설명하면 다음과 같다.
도 14를 참조하면, 질량(m)이 69g, 열용량(CP)이 1.5 J/(g), 초기온도(T)가 25℃, 저항이 50mΩ이라고 가정했을 때,
현재 측정 온도(T2)가 29.5℃이고, 측정 전압(Vt2)이 4.0V이고, 측정 전류(It2)가 5A이고, 측정 시간(t2)이 11분이며,
이전 측정 온도(T1)가 29℃이고, 측정 전압(Vt1)가 3.95V이고, 측정 전류(It1)가 5.05A이고, 측정 시간(t1)이 10분일 경우,
수학식 1에 상기 수치들을 대입하면, 계산된 T2값은,
Figure pat00005
이다.
이 경우, 실제 측정된 T2값(29.5)이 계산된 T2값(29.72)보다 낮으므로 충전전류 변화 없이 충전을 한다.
한편, 도 14를 참조하면, 질량(m)이 69 g, 열용량(CP)이 1.5 J/(g), 초기온도(T)가 25℃, 저항이 50mΩ이라고 가정했을 때,
현재 측정 온도(T2)가 47℃이고, 측정 전압(Vt2)이 4.0V이고, 측정 전류(It2)가 5A이고, 측정 시간(t2)이 33분이며,
이전 측정 온도(T1)가 46℃이고, 측정 전압(Vt1)가 3.95V이고, 측정 전류(It1)가 5.05A이고, 측정 시간(t1)이 32분일 경우,
수학식 1에 상기 수치들을 대입하면, 계산된 T2값은,
Figure pat00006
이다.
이 경우, 실제 측정된 T2값(47)이 계산된 T2값(46.72)보다 높으므로 온도보상요소를 적용하여 충전을 한다.
이상의 본 발명의 실시예에서는 기설정한 온도에 도달할 때까지는 일정 전류로 충전하며, 설정한 온도에 도달했을 시 온도에 따른 전류 제어를 하되, 수식값에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하여 하이인 경우와 로우인 경우로 나누어 온도보상요소를 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 배터리의 환경과 배터리의 상태에 따라 충전 전류를 결정하여 배터리를 급속하게 충전하고, 충전 효율 및 배터리의 반응열로 인한 열화를 방지하여 배터리의 수명은 단축을 방지하고 충전효율은 높고, 충전시간은 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 온도를 측정하여 온도에 대응하는 충전전류를 결정하여 배터리를 급속하게 충전하고, 충전 효율 및 배터리의 반응열로 인한 열화를 방지하여 배터리의 수명은 단축을 방지하고 충전효율은 높고, 충전시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 기존의 충전방법에 비하여 보다 빠른 시간에 높은 충전효율을 가지게 되고 배터리의 충전에 따른 과충전 및 반응열에 의한 배터리 수명단축을 방지 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 제어부가 온도 감지부에서 측정된 온도가 설정 온도 이상인지 판단하는 단계;
    상기 측정된 온도가 설정 온도 이상인 경우,
    하기 수학식 1에 의해 온도를 계산하는 단계;
    계산된 온도를 현재 측정된 온도와 비교하는 단계;
    상기 수학식 1 에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하여 온도 방향을 판단하는 단계;
    판단결과, 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 하이일 경우, 온도보상요소를 계산하고, 계산된 온도보상요소를 적용하여 충전전류를 변화시켜 충전을 하는 단계;
    판단결과 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 충전전류의 변화없이 충전을 하는 단계를 포함하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리 급속 충전 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00007

    T2는 현재 측정 온도, T1은 이전 측정 온도, t2는 현재 측정 시간, t1은 이전 측정 시간, m은 질량, CP는 열용량, R은 저항, I는 전류임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 온도가 설정 온도 이상이 아니면, 초기 설정된 전류로 충전을 하는 단계를 더 포함하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리 급속 충전 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    제어부가 온도 감지부에서 측정된 온도가 설정 온도 이상인지 판단하는 단계 이전에,
    충전전압을 판단하는 단계;
    상기 충전 전압이 충전 상한 전압 이상이면, CV 모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리 급속 충전 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    판단결과 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 온도보상요소를 계산하지 않고 충전전류의 변화없이 충전을 하는 단계를 더 포함하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리 급속 충전 방법.
  5. 온도를 검출하기 위한 온도 감지부;
    이차전지를 충전하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원공급부에 연결되어 상기 이차전지를 충전하기 위한 충전부;
    상기 이차전지의 전압정보를 검출하여 출력하는 전압검출부와;
    상기 온도 감지부에서 감지된 온도와 상기 전압 검출부에서 검출된 전압정보에 따라 충전전류를 결정하여 상기 충전부가 상기 이차전지를 충전하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 하기 수학식 1에 의해 온도를 계산하고, 하기 수학식 1 에 의해 계산된 온도값과 측정된 온도를 비교하고, 상기 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 하이일 경우, 온도보상요소를 계산하고, 계산된 온도보상요소를 적용하여 충전전류를 변화시켜 충전을 하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리 급속 충전 시스템.
    [수학식 1]
    Figure pat00008

    T2는 현재 측정 온도, T1은 이전 측정 온도, t2는 현재 측정 시간, t1은 이전 측정 시간, m은 질량, CP는 열용량, R은 저항, I는 전류임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 계산된 온도값과 비교하여 측정된 온도가 로우일 경우, 온도보상요소를 계산하지 않고 충전전류의 변화없이 충전을 하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 수명 단축 및 폭발 방지를 위한 배터리 급속 충전 시스템.
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