KR20180134372A

KR20180134372A - 실시간 배터리 특성화에 기초한 배터리 충전

Info

Publication number: KR20180134372A
Application number: KR1020187032273A
Authority: KR
Inventors: 올렉산드르 카첸코; 미콜라 셔스튀크
Original assignee: 지배터리즈 에너지 캐나다 인코포레이티드
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-12-18
Also published as: US20170302088A1; US20190229537A1; US10291048B2; KR102408274B1; US10566817B2; WO2017173526A1

Abstract

배터리 충전 회로는 배터리를 충전하기 위해 펄스식 충전 전류를 생성할 수 있다. 충전 중에, 펄스식 충전 전류를 배터리로부터 분리시키지 않고서, EIS 측정들이 이루어질 수 있다. 바꾸어 말하면, 펄스식 충전 전류는 배터리 충전을 위해 그리고 EIS 측정들을 위한 구동 신호로서, 두가지 기능의 역할을 할 수 있다. EIS 측정들은 배터리 수명을 개선시키기 위해 펄스식 충전 전류의 파라미터들을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 펄스식 충전 전류의 파라미터들은 EIS 측정들을 하는 목적을 위해 순간적으로 변화될 수 있고, 그 후 측정들을 하는 것에 후속하여 배터리 충전을 위해 적합한 파라미터들로 복원될 수 있다.

Description

실시간 배터리 특성화에 기초한 배터리 충전

관련 출원들에 대한 상호 참조

35 U.S.C. §119(e)에 의거하여, 본원은 그 내용이 전체가 모든 목적들을 위해 본원에 참조로 포함된, 2016년 4월 8일자 출원된 미국 가 출원 번호 62/319,973 호의 출원일의 혜택을 주장하고 그 권리가 부여된다.

35 U.S.C. §119(e)에 의거하여, 본원은 그 내용이 전체가 모든 목적들을 위해 본원에 참조로 포함된, 2017년 1월 23일자 출원된 미국 가 출원 번호 62/449,445호의 출원일의 혜택을 주장하고 그 권리가 부여된다.

전기화학 임피던스 분광학(EIS)은 리튬 이온 배터리들과 같은 재충전가능한 배터리들을 테스트하기 위해 수년 동안 사용되어 왔다. EIS는 전극들과 배터리들의 동역학의 반응들을 관찰하기에 아주 적합하다. EIS에서, 주파수들의 범위에 걸친 배터리의 임피던스가 측정된다. 배터리의 에너지 저장 및 발산 특성들은 결과적인 주파수 응답 곡선을 검사함으로써 드러날 수 있다. 옴 저항 및 전하 전달 저항과 같은 임피던스 파라미터들은 예를 들어, 배터리의 주파수 응답의 나이퀴스트 선도로부터 평가될 수 있다.

EIS의 사용으로 측정될 수 있는 다른 파라미터들은 전극과 전해질 사이의 계면에서의 반대 극성의 2개의 층들의 형성인 이중 층 효과와 관련된다. 한 측 상에 저장된 전하는 다른 측 상에 저장된 전하와 값은 동일하고 부호는 반대이다. 2개의 페이즈들 중 하나가 액체이면, 용매화된 이온들이 도달할 수 있는 최소 거리가 있다. 최소 거리의 이 영역을 Helmholtz 평면이라고 한다. Helmholtz 평면 외부의 영역을 외부 Helmholtz 층이라고 한다. 이온들은 그 평면 아래의 거리들에 위치할 수 있다. 이 영역을 내부 Helmholtz 층이라고 한다. EIS는 이중 층을 특성화하는 데 사용된다. 이러한 특성화로부터 추출된 파라미터들은 현상의 수학적 모델과 함께 사용된다. 전기화학적 삽입, 인터칼레이션 및 합금은 모두 내부 층을 포함하는 공정들이다.

EIS의 사용으로 측정가능한 또 하나의 세트의 파라미터들은 배터리 충전, 방전 중에 변화하고 또한 배터리 수명, 건강 상태 및 온도에 의존하는 확산 및 반응 파라미터들이다. 전기화학적 시스템들을 파라미터화하는 데 통상적으로 사용된 셋업들은 순환적 전압전류법 및 정전류식 사이클링이다. 순환적 전압전류법에서, 전위차는 스위프 율이라고 하는, 고정된 기울기로 연속적으로 변화된다. 스위프 율은 최대 또는 최소 전위차가 도달될 때 부호가 변화된다. 이 과정 동안, 전류 세기는 전위의 함수로서 등록되고, 일반적으로, 형상은 스위프 율에 의존한다. 정전류식 사이클링 실험들에서, 전류 세기가 도입되고 일정하다. 전위는 시스템을 통해 통과하는 전체 전하의 함수로서 측정될 것이다. 일반적으로, 이 곡선의 형상은 전류 세기의 함수이다. 전류 세기는 최대 또는 최소 전위차가 도달될 때 부호가 변화된다. 이러한 곡선들의 형상은 반응 메커니즘, 페이즈의 벌크로부터 계면까지의 반응물들의 이송, 및 반대 방향으로의 산물의 이송과 관련된다.

전극 재료들은 배터리 사이클 중에 사용된 전체 전위 범위에 대해 배터리 전해질에서 안정하여야 하고, 그 반대도 그러하다. 이러한 안정성은 고체 전해질 중간페이즈(solid electrolyte interphase)(SEI)라고 하는 보호 층의 형성 덕분에 달성된다. 그것은 산화/환원 산물일 수 있는데, 이 경우에 그것은 배터리의 전하, 또는 입자들을 전해질에 접촉시킴으로써 형성된 화학 산물의 일부를 소비한다. SEI는 전극의 운동역학적 거동, 사이클링 중에 소비된 비가역적 전하, 및 사이클 수명에 영향을 준다.

다음의 논의 및 특히 도면과 관련하여, 도시한 특정한 것들은 예시적 논의의 목적들을 위한 예들을 나타내고, 본 개시내용의 원리들 및 개념적 양태들의 설명을 제공하는 과정에서 제시된다는 것이 강조된다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 기본적 이해를 위해 필요한 것을 넘는 구현 상세들을 도시하려고 시도하지 않는다. 도면과 함께, 다음의 논의는 본 개시내용에 따른 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지를 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 분명하게 한다. 유사하거나 동일한 참조 번호들이 다양한 도면들 및 지원 설명들에서 유사하거나 동일한 요소들을 식별하고 혹은 참조하는 데 사용될 수 있다. 첨부 도면에서:
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 1에 도시한 배터리 충전 시스템의 변형을 도시한다.
도 3은 펄스식 충전을 사용하는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한다.
도 4는 펄스 트레인의 예시적인 예를 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 3에 도시한 배터리 충전 시스템의 변형을 도시한다.
도 6은 연속적인 EIS 측정들을 사용하는 본 개시내용에 따른 펄스식 충전을 위한 처리를 도시한다.
도 7은 단속적인 EIS 측정들을 사용하는 본 개시내용에 따른 펄스식 충전을 위한 처리를 도시한다.
도 8은 EIS 측정들에 적합한 펄스들을 사용하는 본 개시내용에 따른 펄스식 충전을 위한 처리를 도시한다.

본 개시내용은 실시간으로 결정될 수 있는 충전 파라미터들을 사용하는 배터리 충전을 위한 기술들을 설명한다. 다양한 실시예들에서, 펄스 트레인은 배터리를 충전하기 위한 충전 전류를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 배터리 파라미터들은 충전 동안 측정될 수 있다. 펄스 트레인은 배터리 충전을 위한 펄스 트레인을 최적화하기 위해 주변 조건들과 함께 측정된 배터리 파라미터들에 기초하여 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 트레인은, 배터리 측정들이 되는 시간 동안, 배터리 측정들을 위해 최적화된 펄스들을 포함하도록 조정될 수 있다.

다음의 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 수많은 예들 및 특정한 상세들이 본 개시내용을 완전히 이해시키기 위해 기술된다. 그러나, 청구범위에서 표현된 것과 같은 본 개시내용은 아래에 설명된 다른 특징들 단독으로 또는 그들과 조합하여, 이들 예의 특징들의 일부 또는 모두를 포함할 수 있고, 여기에 설명된 특징들 및 개념들의 수정들 및 등가물들을 추가로 포함할 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 분명할 것이다.

도 1은 본 개시내용에 따른, 재충전가능한 배터리(예를 들어, 리튬-이온 배터리 셀)를 충전하기 위한 배터리 충전 시스템(회로)(100)을 도시한다. 배터리 충전 시스템(100)은 제어기(102) 및 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 포함할 수 있다. 제어기(102)는 본 개시내용에 따른 배터리 충전을 수행하기 위해 제어 로직(112)을 포함할 수 있다.

외부 부하는 배터리로부터 전력을 수신하기 위해(배터리 방전) 그것의 부하 단자에서 제어기(102)에 접속될 수 있다.

외부 전원이 배터리 충전 동안 배터리에 전력을 공급하기 위해 그것의 Vin 단자에서 제어기(102)에 접속될 수 있다. 제어기(102)는 배터리 충전 동안 외부 전원에 의해 제공된 전압을 감쇠시키기 위해 레벨 시프터(114)를 포함할 수 있다. 레벨 시프터(114)는 op-앰프, DC-DC 변환기, 또는 기타 적합한 레벨 시프팅 회로일 수 있다.

제어기(102)는 그것의 입력들 In1, In2, In3, In4에서 신호들을 변환하기 위해 고속 아날로그-디지털 변환기들(ADC들)을 포함할 수 있다.

제어기(102)는 신호 발생기(116)를 포함할 수 있다. 신호 발생기(116)는 제어 로직(112)의 제어 하에서, 주어진 주파수의 정현 신호를 생성할 수 있다. 제어기(102)는 신호 발생기(116)의 출력을 그것의 출력들 Out1, Out2 중 어느 하나에 접속시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 신호 발생기(116)는 0.1㎐ 내지 100㎒의 범위의 신호들을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, 신호 발생기(116)는 단일 주파수에서 신호를 출력할 수 있다. 다른 예들에서, 신호 발생기(116)는 주파수들의 범위를 통해 스위프할 수 있다. 이 점을 단지 예시하기 위해, 예를 들어, 제어기(102)는 5초 간격들로 10㎐씩 증가하여 1㎐ 내지 100㎑의 범위의 신호들을 출력하기 위해 신호 발생기(116)를 동작시킬 수 있다.

제어기(102)는 Pin1 및 Pin2를 포함한다. 제어기(102)는 외부 전원에 의해 충전될 충전 모드에 있을 때, 배터리를 Pin1 및 Pin2를 통해 외부 전원에 접속시킬 수 있다. 대안적으로, 제어기(102)는 배터리로부터 외부 부하에 전력을 공급하기 위한, 방전 모드에 있을 때, 배터리를 Pin1 및 Pin2를 통해 외부 부하에 접속시킬 수 있다.

제어기(102)는 외부 디바이스들과 통신하기 위해 통신 링크들 Link1, Link2를 포함할 수 있다. Link1은 예를 들어, 배터리 충전 시스템(100)을 포함하는 전자 디바이스(도시 안됨) 내의 배터리 관리 시스템에 배터리 조건의 양태들을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 배터리 조건에 관한 정보는 실시간으로 측정되는 배터리 파라미터들, 계산들, 전체적인 배터리 건강 상태, 충전 상태, 배터리 파라미터들의 이력 등을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, Link2는 배터리 상태를 전달하고 배터리와 외부 부하 둘 다를 위한 최적 기능 모드들을 절충하기 위해 진보된 외부 부하들, 소위 "스마트" 부하들을 위해 사용될 수 있다. 다수의 배터리 시스템을 포함하는 실시예들에서, Link1과 Link2 둘 다는 시스템 내의 다른 요소들에, 각각 배터리 조건 및 최적 모드들을 전달하기 위해 사용될 수 있다.

동작의 모드들

논의는 이제 본 개시내용에 따른 배터리 충전 시스템(100)에서의 동작의 방전 모드 및 충전 모드의 설명으로 전환될 것이다.

A. 방전 모드

방전 모드에서, 제어기(102)는 신호 발생기(116)를 턴 오프 혹은 정지시킬 수 있다. 제어기(102)는 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 온 상태(폐쇄된 위치)로 동작시킬 수 있다. 제어기(102)는 PIN1을 부하 단자에 그리고 Pin2를 접지(GND) 단자에 접속시킬 수 있으므로, 배터리를 외부 부하에 접속시킨다. 본 개시내용의 일부 실시예들에 따라, 방전 모드 중에 제어기(102)는 (아래에 설명되는) EIS 측정들을 하기 위해 외부 부하로의 전력의 전달을 인터럽트할 수 있다. 예를 들어, 스마트 부하는 짧은 시간 기간들(예를 들어, 50㎲ 등) 동안 전력을 인터럽트하기 위해 제어기(102)와 (예를 들어, Link2를 통해) 협력할 수 있다.

B. 충전 모드

충전 모드에서, 제어기(102)는 신호들을 출력하기 위해 신호 발생기(116)를 동작시킬 수 있다. 제어기(102)는 신호 발생기(116)에 대해 교정 시퀀스를 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어기(102)는 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 오프 상태(개방된 위치)로 동작시킬 수 있다. 이 구성에서, 신호 발생기(116)로부터의 출력은 Out1에 제공될 수 있고 교정이 In2를 통해 수행될 수 있다. 마찬가지로, 신호 발생기(116)로부터의 출력은 Out2에 제공될 수 있고 교정이 In3을 통해 수행될 수 있다.

충전 동안에, 제어기(102)는 에너지(충전 전류)가 외부 전원으로부터 배터리에 제공되는 충전 페이즈와 EIS 측정들을 하는 것이 배터리에 대해 이루어지는 측정 페이즈 사이에서 교대할 수 있다. 충전 페이즈와 측정 페이즈 사이의 교대는 예를 들어, 동작 조건들(예를 들어, 주변 온도)의 변화에 응답하여 단속적으로 수행될 수 있다. 교대는 주기적일 수 있고, 예를 들어, EIS 측정들이 1밀리초로부터 수분까지 규칙적인 간격들로 수행될 수 있다.

충전 페이즈를 위해, 제어기(102)는 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 온 상태로 동작시키고 충전 페이즈를 위해 신호 발생기(116)를 턴 오프 또는 정지시킬 수 있으므로, 외부 전원이 배터리를 충전하게 된다.

측정 페이즈를 위해, EIS 측정들은 전형적으로 배터리를 그것의 충전 전류 경로로부터 분리시키고 배터리를 대역 제한된 백색 잡음의 형태로 신호 소스(구동)에 결합시킴으로써 획득된다. EIS 측정들은 구동 신호의 주파수들의 주어진 범위에 걸쳐 배터리의 응답(예를 들어, 전류 응답)을 측정하는 것을 포함한다. 따라서, 제어기(102)는 외부 전원을 배터리로부터 분리시키기 위해 스위치들(S1, S3)을 오프 상태로 동작시킬 수 있고, 신호 발생기(116)를 턴 온시킬 수 있으므로 EIS 측정들을 하기 위해 구동 신호를 출력 Out1을 통해 배터리에 제공한다. 측정들은 In1에서의 ADC를 사용하여 입력 In1에서 신호들을 변환함으로써 취해질 수 있다. 측정의 지속기간은 비교적 짧을(예를 들어, 수십마이크로초 내지 수초의 범위) 수 있기 때문에, 측정은 배터리의 정상 동작을 방해하지 않고 발생할 수 있다. 예를 들어, 배터리가 스마트폰 내로 포함되는 경우에, 주 프로세서는 스마트폰이 아이들 또는 거의 아이들인 것으로 간주되는 순간들에 EIS 측정들을 삽입하도록 선택할 수 있다.

일부 실시예들에서, 측정들은 연속적일 수 있다. 제어기(102)는 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 온 상태로 동작시키고 신호 발생기(116)를 턴 온시키므로, 외부 전원으로부터의 전력과 신호 발생기(116)로부터의 신호들 둘 다가 배터리에 도달하게 된다. EIS 측정들은 배터리가 충전되는 것과 동시에 이루어질 수 있다.

C. 배터리 충전 적응

EIS 측정들은 배터리 내부의 전기화학적 및 심지어 기계적 현상들과 상관된다. 전기화학적 및 기계적 현상들은 예를 들어, 충전 상태(SOC), 이중 층의 캐패시턴스, 이중 층의 두께, 전해질 산화 레벨, 전류 컬렉터들의 부식, 활성 재료 바인더의 저하, 배터리 내의 확산 속도들, 및 배터리의 다른 물리적 양태들을 포함하는, 배터리의 다양한 파라미터들로서 그들 자체를 나타낸다. EIS 측정들은 정현 함수들(푸리에 급수들)의 합으로서 분석될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석은 적합한 패스트 푸리에 변환(FFT) 기술을 사용하여 이루어질 수 있다.

본 개시내용에 따라, 제어기(102)는 EIS 측정들에 기초하여 배터리의 충전을 적응시킬 수 있다. 예를 들어, 충전 전류는 EIS 측정들이 배터리 내의 확산 속도들이 내려가고 있다는 것을 표시할 때 (예를 들어, 레벨 시프터(114)의 이득을 감소시킴으로써) 감소될 수 있다. 이것은 배터리의 수명 사이클을 증가시키기 위해 일부 상황들 하에서 바람직할 수 있다. 소정의 간격들로 EIS 측정들을 삽입함으로써, 충전 과정은 배터리의 수명 사이클을 개선시키기 위해 충전 전류를 조정하기 위해 실시간으로 적응될 수 있다.

또한 본 개시내용에 따라, 제어기(102)는 배터리의 조건을 평가하기 위해 EIS 측정들을 분석하고 분석으로부터의 결과들을 보고할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 결과들은 (예를 들어, Link1을 통해) 배터리 관리 시스템에 보고될 수 있다.

도 2는 본 개시내용의 또 하나의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템(회로)(200)을 도시한다. 배터리 충전 시스템(200)은 제1 제어기(202) 및 제2 제어기(204)를 포함할 수 있다. 배터리 충전 시스템(100)의 제어기(102)에서 설명된 회로 소자들이 배터리 충전 시스템(200)의 제1 및 제2 제어기들(202, 204)에 할당된다. 마찬가지로, 배터리 충전 시스템(100)의 제어기(102) 내의 제어 로직(112)은 배터리 충전 시스템(200) 내의 제어 로직 1 및 제어 로직 2에 할당된다. 배터리 충전 시스템(200)의 동작은 배터리 충전 시스템(100)과 동일하다.

도 3은 본 개시내용에 따른, 재충전가능한 배터리(예를 들어, 리튬-이온 배터리 셀)을 충전하기 위한 배터리 충전 시스템(회로)(300)을 도시한다. 배터리 충전 시스템(300)은 제어기(302) 및 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 포함할 수 있다. 제어기(302)는 본 개시내용에 따라 배터리 충전을 수행하기 위해 제어 로직(312)을 포함할 수 있다.

외부 부하는 배터리로부터 전력을 수신하기 위해(배터리 방전) 그것의 부하 단자에서 제어기(302)에 접속될 수 있다.

외부 전원이 배터리 충전 동안 배터리에 전력을 공급하기 위해 그것의 Vin 단자에서 제어기(302)에 접속될 수 있다. 제어기(302)는 배터리 충전 동안 외부 전원에 의해 제공된 전압을 감쇠시키기 위해 레벨 시프터(314)를 포함할 수 있다. 레벨 시프터(314)는 op-앰프 기반 설계, DC-DC 변환기, 또는 기타 적합한 레벨 시프팅 회로일 수 있다.

제어기(302)는 그것의 입력들 In1, In2, In3, In4에서 신호들을 변환하기 위해 고속 아날로그-디지털 변환기들(ADC들)을 포함할 수 있다.

제어기(302)는 펄스 트레인 발생기(316)를 포함할 수 있다. 펄스 트레인 발생기(316)는 제어 로직(312)의 제어 하에서, 펄스들의 트레인을 생성할 수 있다. 제어기(302)는 펄스 트레인 발생기(316)의 출력을 그것의 출력들 Out1, Out2 중 어느 하나에 접속시킬 수 있다.

제어기(302)는 각각의 펄스의 펄스 진폭, 펄스 길이(지속기간, 주기) 및 펄스 폭을 제어할 수 있다. 한편으로, 예를 들어, 제어기(302)는 일정한 듀티 사이클을 갖는 펄스들의 트레인을 생성할 수 있다. 다른 한편으로, 제어기(302)는 상이한 펄스 진폭들, 펄스 길이들, 펄스를 갖는 펄스들의 펄스 트레인을 생성할 수 있다. 도 4는 예를 들어, 펄스들 P1, P2, P3, P4, P5를 포함하는 펄스 트레인의 부분을 도시한다. 펄스들 P1 - P3은 상이한 펄스 진폭들(a1≠a2≠a3), 펄스 길이들(l1≠l2≠l3) 및 상이한 펄스 폭들(w1≠w2≠w3)을 갖는다. 펄스 트레인은 동일한 펄스 주기 및 펄스 폭을 갖는 펄스들의 반복을 포함할 수 있고; 예를 들어, 펄스들 P3, P4, 및 P5는 반복된 펄스들의 예를 도시한다. 일반적으로, 펄스 트레인은 동일하거나 상이한 진폭들, 길이들, 및 폭들의 임의의 조합을 갖는 펄스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스들은 직사각형일 수 있다. 다른 실시예들에서, 펄스들은 다른 형상들을 가질 수 있다.

제어기(302)는 Pin1 및 Pin2를 포함한다. 제어기(302)는 외부 전원에 의해 충전될 충전 모드에 있을 때, 배터리를 Pin1 및 Pin2를 통해 외부 전원에 접속시킬 수 있다. 대안적으로, 제어기(302)는 배터리로부터 외부 부하에 전력을 공급하기 위한, 방전 모드에 있을 때, 배터리를 Pin1 및 Pin2를 통해 외부 부하에 접속시킬 수 있다.

제어기(302)는 외부 디바이스들과 통신하기 위해 제어기(102)와 동일한 통신 링크들 Link1, Link2를 포함할 수 있다.

도 5는 본 개시내용의 또 하나의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템(회로)(500)을 도시한다. 배터리 충전 시스템(500)은 제1 제어기(502) 및 제2 제어기(504)를 포함할 수 있다. 배터리 충전 시스템(300)의 제어기(302)에서 설명된 회로 소자들이 배터리 충전 시스템(500)의 제1 및 제2 제어기들(502, 504)에 할당된다. 마찬가지로, 배터리 충전 시스템(100)의 제어기(302) 내의 제어 로직(312)은 배터리 충전 시스템(500) 내의 제어 로직 1 및 제어 로직 2에 할당된다. 배터리 충전 시스템(500)의 동작은 배터리 충전 시스템(300)과 동일하다.

도 3과 관련하여 도 6을 참조하면, 논의는 이제 본 개시내용에 따라 배터리를 펄스 충전하기 위한 제어 로직(312)에 의한 처리의 고수준 설명으로 전환될 것이다.

블록 602에서, 제어 로직(312)은 외부 전원을 배터리에 접속시키기 위해 제어기(302) 내의 접속들을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(312)은 Pin1 및 Pin2를 각각 Vin 및 GND 단자들에 접속시키고, 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 온 상태로 동작시킬 수 있다.

블록 604에서, 제어 로직(312)은 펄스 트레인을 생성하기 위해 펄스 트레인 발생기(318)를 동작시킬 수 있다. 제어 로직(312)은 이전에 저장된 측정된 배터리 파라미터들에 기초하여 펄스 트레인을 포함하는 펄스들에 대한 펄스 진폭, 펄스 길이, 및 펄스 지속기간에 대한 초기 설정들을 선택할 수 있다.

블록 606에서, 제어 로직(312)은 외부 전원의 출력을 변조함으로써 펄스식 충전 전류를 발생시키기 위해 펄스 트레인에 따라 스위치(S2)를 동작시킬 수 있으므로, 배터리의 펄스 충전을 개시한다. 펄스식 충전 전류의 펄스 진폭들, 펄스 길이들, 및 펄스 폭들이 펄스 트레인 내의 펄스들의 펄스 진폭들, 펄스 길이들, 및 펄스 폭들에 의해 결정된다. 일부 실시예들에서, 펄스 트레인 내의 펄스 진폭들은 레벨 시프터(314)의 이득 및 나아가 펄스식 충전 전류 내의 진폭들을 설정하기 위해 사용될 수 있다.

블록 608에서, 배터리가 펄스식 충전 전류를 수신하고 있는 동안, 제어 로직(312)은 배터리 내로의 전류 흐름의 하나 이상의 측정 및/또는 배터리 양단의 전압의 하나 이상의 측정을 포함하는, 배터리에 대해 EIS 측정들을 할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(312)은 펄스식 충전 전류를 배터리로부터 분리하지 않고 측정들을 하기 위해 입력들 In1 및 In4에 대응하는 ADC들을 동작시킬 수 있다. 실제로, 펄스식 충전 전류는 EIS 측정들이 이루어질 때 배터리에 대한 구동 신호로서 기능한다.

블록 610에서, 제어 로직(312)은 이전에 이루어진 EIS 측정들로 EIS 측정들을 누적할 수 있다. 제어 로직(312)은 위에 논의된 것과 같이 배터리의 파라미터들을 평가하기 위해 누적된 EIS 측정들을 분석할 수 있다. 평가된 배터리 파라미터들에 기초하여, 제어 로직(312)은 결국 블록 606에서 발생된 펄스식 충전 전류에 영향을 주는, 펄스 트레인을 포함하는 펄스들의 펄스 진폭, 펄스 길이, 및 펄스 폭 중 하나 이상을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 펄스 진폭은 배터리의 SOC에 따라 조정될 수 있다. 마찬가지로, 펄스 길이는 이온 확산 레벨들이 미리 결정된 임계값에 도달했을 때 등에 조정될 수 있다. 이 방식으로, 배터리의 펄스식 충전이 배터리의 사이클 수명을 증가시키기 위해 배터리 충전과 동시에 이루어지는 배터리의 EIS 측정들을 사용하여, 실시간으로 최적화될 수 있다.

충전 전류가 (배터리의 일부 영역들에서 전체적으로 또는 국부적으로) 매우 높을 때, 애노드로의 리튬 이온들(Li+)의 이송 속도는 Li+가 삽입(인터칼레이트)될 수 있는 속도를 초과할 수 있다. 이들 조건 하에서, Li+는 덴드라이트들의 성장에 이르게 할 수 있는, 금속성 Li로서 퇴적할 수 있다. 덴드라이트들은 배터리의 수명 및 그것의 내구성을 저하시킬 수 있고 최악의 경우 화재를 야기할 수 있는, 단락 회로들을 일으킬 수 있다. 본 개시내용에 따라 이루어진 EIS 측정들은 심지어 성장의 매우 조기의 스테이지들에서도, 금속 도금 형성의 성장을 검출하기 위해 사용될 수 있다.

따라서 일부 실시예들에 따라, 제어 로직(312)은 덴드라이트 형성과 같은 금속 도금의 발생을 검출하기 위한 분석들을 포함할 수 있고, 응답하여 충전 전류를 감소시키고, 또는 전체적으로 충전 과정을 인터럽트하기 위해, 펄스 파라미터들을 변경할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 로직(312)은 배터리의 사용가능한 용량을 감소시키고, 충전을 감소 용량까지만 계속되게 할 수 있다. 배터리는 비록 감소 용량에 있을지라도, 여전히 사용가능할 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어 로직(312)은 화재 위험의 우려를 최소화하기 위해 배터리 내의 충전 레벨을 감소시키는 (또는 배터리를 완전히 공핍시키는) 제어된 방식으로 배터리를 방전하는 방전 시퀀스를 개시할 수 있다. 일부 예들에서, 제어 로직(312)은 배터리의 사용을 전체적으로 불능으로 할 수 있다. 일부 예들에서, 제어 로직(312)은 또한 사용자에게 경보 또는 다른 표시를 발생할 수 있는, 금속 도금의 검출을 (예를 들어, Link1을 통해) 배터리 관리 시스템에 전달할 수 있다.

도 6은 일부 실시예들에서, 제어 로직(312)이 배터리 충전이 계속되는 시간 동안 EIS 측정들을 연속적으로 할 수 있다는 것을 도시한다. 예를 들어, 매 반복마다, 하나 이상의 전류 및/또는 전압 측정이 이루어질 수 있다. EIS 측정들은 이전의 EIS 측정들과 조합되고 분석될 수 있다(예를 들어, 푸리에 분석). 위에 논의된 배터리 파라미터들은 분석 결과들로부터 평가된 후에, 다음 반복을 위해 펄스 트레인 내의 펄스들의 파라미터들(예를 들어, 진폭, 길이, 및 폭)을 변화시키기 위해 사용될 수 있다. 다음 반복은 지연 없이(연속으로) 수행될 수 있다.

도 7은 일부 실시예들에서, 제어 로직(312)이 단속적인 EIS 측정들을 할 수 있다는 것을 도시한다. 도 7의 처리는 EIS 측정들을 하는 것(블록 608) 간의 지연을 제공하기 위해 블록 702에서의 지연을 제외하고 도 6의 것과 동일하다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 지연은 시간의 미리 결정된 고정 값일 수 있다. 지연은 하나의 반복으로부터 다음 반복으로 변화할 수 있다. 다른 실시예들에서, EIS 측정들은 하나 이상의 미리 결정된 이벤트(예를 들어, 주변 온도와 같은 동작 조건들의 변화)의 발생에 의해 트리거될 수 있고; 지연은 이러한 이벤트들 간의 시간으로부터 비롯된다.

전술한 실시예들에서 EIS 측정들이 이루어지는 시간에 배터리를 구동시키는 펄스식 충전 전류는 충전을 위해 최적화된다. 바꾸어 말하면, 펄스 파라미터들은 위에 논의된 것과 같이, 이전에 이루어진 EIS 측정들에 기초하여 조정된다. 일부 실시예들에서, 펄스식 충전 전류의 펄스 파라미터들은 EIS 측정들을 하는 목적들을 위해 순간적으로 변경될 수 있고(즉, 측정들을 위해 최적화될 수 있고), 다음에 충전을 위해 최적화된 펄스 파라미터들로 복원될 수 있다. 본 개시내용의 이 양태가 이제 설명될 것이다.

도 3과 관련하여 도 8을 참조하면, 논의는 이제 본 개시내용에 따라 배터리를 펄스 충전하기 위한 제어 로직(312)에 의한 처리의 고수준 설명으로 전환될 것이다.

블록 802에서, 제어 로직(312)은 외부 전원을 배터리에 접속시키기 위해 제어기(302) 내의 접속들을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(312)은 Pin1 및 Pin2를 각각 Vin 및 GND 단자들에 접속시키고, 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 온 상태로 동작시킬 수 있다.

블록 804에서, 제어 로직(312)은 펄스 트레인을 생성하기 위해 펄스 트레인 발생기(318)를 동작시킬 수 있다. 제어 로직(312)은 이전에 저장된 측정된 배터리 파라미터들에 기초하여 펄스 트레인을 포함하는 펄스들에 대한 펄스 진폭, 펄스 길이, 및 펄스 지속기간에 대한 초기 설정들을 선택할 수 있다. 이와 같이, 펄스 트레인은 배터리 충전을 최적화하기 위해 제1 종류들의 펄스들을 초기에 포함한다.

블록 806에서, 제어 로직(312)은 외부 전원의 출력을 변조함으로써 펄스식 충전 전류를 발생시키기 위해 펄스 트레인에 따라 스위치(S2)를 동작시킬 수 있으므로, 배터리의 펄스 충전을 개시한다. 펄스식 충전 전류의 펄스 진폭들, 펄스 길이들, 및 펄스 폭들이 펄스 트레인 내의 펄스들의 펄스 진폭들, 펄스 길이들, 및 펄스 폭들에 의해 결정된다. 일부 실시예들에서, 펄스 트레인 내의 펄스 진폭들은 레벨 시프터(314)의 이득 및 나아가 펄스식 충전 전류의 진폭들을 설정하기 위해 사용될 수 있다.

블록 808에서, 제어 로직(312)은 다음 블록으로 진행하기 전에 지연을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 지연은 시간의 미리 결정된 고정 값일 수 있다. 지연은 하나의 반복으로부터 다음 반복으로 변화할 수 있다. 다른 실시예들에서, EIS 측정들은 하나 이상의 미리 결정된 이벤트(예를 들어, 주변 온도와 같은 동작 조건들의 변화)의 발생에 의해 트리거될 수 있고; 지연은 이러한 이벤트들 간의 시간으로부터 비롯된다.

블록 810에서, 제어 로직(312)은 EIS 측정들을 하기 위해 더 적합한 제2 종류들의 펄스들을 발생시키기 위해 펄스 트레인 발생기(316)를 설정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 펄스 트레인은 0.1C 내지 20C의 범위의 펄스 진폭 및 1㎳ 내지 5000㎳의 범위의 펄스 지속기간들을 갖는 펄스식 충전 전류를 생성하는, 대역-제한된 백색 잡음의 형태와 근사한, 의사-랜덤 이진 펄스 시퀀스일 수 있다. 결과적으로, 결과적인 펄스식 충전 전류가 배터리를 충전하는 것을 계속하는 동안, 그것은 배터리 충전을 위해 더 이상 최적화되지 않을 것이지만, 오히려 EIS 측정들을 위해서는 최적화될 것이다. 그러나, 펄스 파라미터들의 순간적인 변화는 EIS 측정들이 수초 이하 정도에서 취해지기 때문에 배터리 충전 과정에 해롭게 되지 않아야 한다.

블록 812에서, 배터리가 펄스식 충전 전류를 수신하고 있는 동안, 제어 로직(312)은 배터리 내로의 전류 흐름의 하나 이상의 측정 및/또는 배터리 양단의 전압의 하나 이상의 측정을 포함하는, 배터리에 대해 EIS 측정들을 할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(312)은 펄스식 충전 전류를 배터리로부터 분리하지 않고 측정들을 하기 위해 입력들 In1 및 In4에 대응하는 ADC들을 동작시킬 수 있다. 실제로, 펄스식 충전 전류는 EIS 측정들이 이루어질 때 배터리에 대한 구동 신호로서 기능한다.

블록 814에서, 제어 로직(312)은 예를 들어, 도 6의 블록 610과 관련하여 위에 논의된 것과 같이 배터리 충전을 위해 펄스 파라미터들을 조정할 수 있다.

블록 816에서, 제어 로직(312)은 배터리 충전을 위해 최적화된 펄스 트레인을 사용하여 배터리 충전을 재개하기 위해 제1 종류의 펄스들을 발생시키도록 펄스 트레인 발생기(316)를 설정할 수 있다. 제어 로직(312)은 다음에 과정을 반복하기 위해 블록 808로 복귀할 수 있다.

EIS 측정들은 몇가지 가능한 구현들 중 어느 것을 사용하여 수행될 수 있다. 한 이러한 구현에서, 예를 들어, 프로그램가능한 전류원이 집적 회로에 의해 제어되고, EIS 측정들은 연속적으로 행해진다. 비용 관리가 요인인 또 하나의 구현에서, 배터리의 정규 충전기가 별도의 전류원 대신에 사용될 수 있고, 그것의 전류 출력은 EIS 측정들의 결과들에 기초하여 선택된 파라미터들을 갖는 적합한 펄스 트레인을 발생시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 랩탑 컴퓨터 또는 스마트폰은 배터리를 충전하는 것을 담당하는 충전 집적 회로를 이미 포함한다. 충전 집적 회로는 I²C 또는 5MBus®와 같은 통신 버스를 통해 직접 제어될 수 있다.

본 개시내용에 따른 실시예들은 배터리 셀에 결합된 회로망을 이용할 수 있다. 제어기(예를 들어, 302) 내의 모니터링 회로망은 ASIC들 또는 FPGA들 상에서 구현될 수 있고, 여기서 모니터링 회로망은 예를 들어, 배터리의 임피던스, 단자 전압들 및 온도를 포함하는 배터리의 특성들을, 단속적으로, 연속적으로 및/또는 주기적으로 모니터, 감지, 검출 및/또는 샘플링한다. 제어 로직(예를 들어, 312)은 모니터링 회로망으로부터 데이터를 취득하고 하나 이상의 충전 신호 특성들(예를 들어, 충전 전류)을 계산하고, 적절한 경우에 (예를 들어, 배터리의 건강 상태에의 충전 과정의 악영향을 경감, 최소화 및/또는 감소시키기 위해), 예를 들어, 펄스 파라미터들을 제어함으로써 충전 과정을 적응시킬 수 있다.

본 개시내용의 적응형 충전 기술들을 위한 회로망은 배터리의 충전 프로필을 적응시키기 위해 제어 회로망에 의해 이용된 EIS 측정들을 취득하기 위해, 여기에 설명된 것이 현재 공지되었거나 나중에 개발되는지 간에, 임의의 모니터링 회로 및 기술들을 이용할 수 있고; 모든 이러한 모니터링 회로망 및 기술들은 본 개시내용의 범위 내에 드는 것으로 한다.

유사하게, 본 개시내용의 실시예들은 예를 들어, 배터리의 건강 상태에의 충전 동작의 악영향을 경감, 최소화 및/또는 감소시키기 위해, 충전 과정을 적응시키는 것뿐만 아니라, 배터리(또는 그것의 셀들)를 충전하기 위해, 여기에 설명된 것들이 현재 공지되었거나 나중에 개발되든지 간에 임의의 제어 회로망 및 충전 회로망을 이용할 수 있다.

특히, "회로"는 다른 것들 중에서, 능동 및/또는 수동이고, 원하는 동작을 제공하거나 수행하기 위해 함께 결합된, 단일 소자(예를 들어, 집적 회로 또는 ASIC) 또는 다수의 소자(집적 회로 형태, 이산 형태 또는 다른 것이든지 간에)를 의미한다. 또한, "회로망"은 다른 것들 중에서, 회로(집적된 또는 다른 것), 이러한 회로들의 그룹, 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 상태 머신, 소프트웨어를 구현하는 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 게이트 어레이, 프로그램가능한 게이트 어레이들 및/또는 필드 프로그램가능한 게이트 어레이들, 또는 하나 이상의 회로(집적된 또는 다른 것), 하나 이상의 상태 머신, 하나 이상의 프로세서, 소프트웨어를 구현하는 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 게이트 어레이, 프로그램가능한 게이트 어레이들 및/또는 필드 프로그램가능한 게이트 어레이들의 조합을 의미한다. 용어 "데이터"는 다른 것들 중에서, 단일 비트(또는 유사한 것) 또는 다수의 비트(또는 유사한 것)일 수 있는 아날로그 또는 디지털 형태이든지 간에 전류 또는 전압 신호(들)(복수 또는 단수)를 의미한다.

상기 설명은 특정한 실시예들의 양태들이 어떻게 구현될 수 있는지의 예들과 함께 본 개시내용의 다양한 실시예들을 예시한다. 상기 예들은 유일한 실시예들로 간주되지 않아야 하고, 다음의 청구범위에 의해 정의된 것과 같은 특정한 실시예들의 신축성 및 장점들을 예시하기 위해 제시된다. 상기 개시내용 및 다음의 청구범위에 기초하여, 다른 배열들, 실시예들, 구현들 및 등가물들이 청구범위에 의해 정의된 것과 같은 본 개시내용의 범위에서 벗어나지 않고서 이용될 수 있다.

Claims

전원을 배터리에 접속시키는 단계;
복수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인을 발생시키는 단계;
상기 전원을 상기 펄스 트레인으로 변조함으로써 상기 전원으로부터 펄스식 충전 전류를 생성하여, 상기 배터리가 상기 펄스식 충전 전류에 의해 충전되는 단계;
상기 펄스식 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 것과 동시에, 상기 배터리의 전류 또는 전압, 또는 전류와 전압 둘 다의 복수의 측정을 하는 단계; 및
상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 길이들 또는 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 지속기간들, 또는 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 상기 펄스 길이들과 상기 펄스 지속기간들 둘 다를 변화시키는 것을 포함하는, 상기 복수의 측정에 기초하여 상기 배터리가 충전됨에 따라 상기 펄스식 충전 전류를 변화시키는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 펄스식 충전 전류를 변화시키는 단계는 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 진폭들을 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 측정은 상기 펄스식 충전 전류를 상기 배터리로부터 분리시키지 않고서 이루어지는 방법.
제1항에 있어서, 상기 측정들이 측정-최적화된 펄스들로부터 생성된 펄스식 충전 전류에 기초하도록 상기 복수의 측정을 하는 것과 동시에 상기 펄스 트레인 내의 상기 측정-최적화된 펄스들을 발생시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제4항에 있어서, 상기 측정-최적화된 펄스들은 의사-랜덤 이진 펄스 시퀀스를 포함하고, 상기 의사-랜덤 이진 펄스 시퀀스를 사용하여 생성된 상기 펄스식 충전 전류는 대역-제한된 백색 잡음의 형태로서 특성화되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 배터리가 상기 펄스식 충전 전류를 수신하고 있는 동안 상기 복수의 측정을 연속적으로 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 배터리가 상기 펄스식 충전 전류를 수신하고 있는 시간 동안 상기 복수의 측정을 단속적으로 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
회로로서,
외부 전원과 접속하기 위한 단자;
배터리와 접속하기 위한 단자;
복수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인을 발생시키도록 구성된 펄스 트레인 발생기; 및
상기 외부 전원을 상기 펄스 트레인으로 변조함으로써 상기 외부 전원을 사용하여 펄스식 충전 전류를 생성하여, 상기 배터리가 상기 펄스식 충전 전류에 의해 충전되고;
상기 펄스식 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 것과 동시에, 상기 배터리의 전류 또는 전압, 또는 전류와 전압 둘 다의 복수의 측정을 하고;
상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 길이들 또는 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 지속기간들, 또는 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 상기 펄스 길이들과 상기 펄스 지속기간들 둘 다를 변화시키는 것을 포함하는, 상기 복수의 측정에 기초하여 상기 배터리가 충전됨에 따라 상기 펄스식 충전 전류를 변화시키도록 동작하는
제어 로직
을 포함하는 회로.
제8항에 있어서, 상기 펄스식 충전 전류를 변화시키는 것은 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 진폭들을 변화시키는 것을 추가로 포함하는 회로.
제8항에 있어서, 상기 복수의 측정은 상기 펄스식 충전 전류를 상기 배터리로부터 분리시키지 않고서 이루어지는 회로.
제8항에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 측정들이 측정-최적화된 펄스들로부터 생성된 펄스식 충전 전류에 기초하도록 상기 복수의 측정을 하는 것과 동시에 상기 펄스 트레인 내의 상기 측정-최적화된 펄스들을 발생시키도록 추가로 구성되는 회로.
제11항에 있어서, 상기 측정-최적화된 펄스들은 의사-랜덤 이진 펄스 시퀀스를 포함하고, 상기 의사-랜덤 이진 펄스 시퀀스를 사용하여 생성된 상기 펄스식 충전 전류는 대역-제한된 백색 잡음의 형태로서 특성화되는 회로.
제8항에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 배터리가 상기 펄스식 충전 전류를 수신하고 있는 동안 상기 복수의 측정을 연속적으로 하도록 추가로 구성되는 회로.
제8항에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 배터리가 상기 펄스식 충전 전류를 수신하고 있는 시간 동안 상기 복수의 측정을 단속적으로 하도록 추가로 구성되는 회로.
회로로서,
전원을 배터리에 접속시키는 수단;
복수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인을 발생시키는 수단;
상기 전원을 상기 펄스 트레인으로 변조함으로써 상기 전원으로부터 펄스식 충전 전류를 생성하여, 상기 배터리가 상기 펄스식 충전 전류에 의해 충전되는 수단;
상기 펄스식 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 것과 동시에, 상기 배터리의 전류 또는 전압, 또는 전류와 전압 둘 다의 복수의 측정을 하는 수단; 및
상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 길이들 또는 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 펄스 지속기간들, 또는 상기 펄스 트레인을 포함하는 상기 펄스들의 상기 펄스 길이들과 상기 펄스 지속기간들 둘 다를 변화시키는 것을 포함하는, 상기 복수의 측정에 기초하여 상기 배터리가 충전됨에 따라 상기 펄스식 충전 전류를 변화시키는 수단
을 포함하는 회로.